杜甫上任，黃伯韜兵團已經被圍，蔣遂命杜率邱、李兩兵團解黃兵團之圍，並想乘機殲滅包圍黃兵團之華東野戰軍，亟欲與共軍一決雌雄。然而像東北戰役一樣，共軍圍點打援，當咬住黃兵團時，頑強阻援，使邱、李援軍遲滯其行，黃兵團近八萬人卒於1948年11月22日被殲，黃伯韜兵敗陣亡。
蔣介石見黃兵團覆亡，如賭徒輸了大把銀子，急欲贏回，不惜拿出老本一搏，即令杜聿明率師南攻，令黃維兵團、劉汝明兵團分別北攻，意圖三路會剿，打通徐蚌間之鐵路線。未料三兵團前進依然困難，有時甚至寸步難行，黃維的機械化重武器兵團在河道眾多地區行軍，更為困難，又因蔣介石不諳敵情，亂出主意，敵前將領猶豫不決，缺乏彈性，終於11月24日渡河後進入口袋，轉移無方，陷入重圍於南平集和雙堆集一帶。翌日，蔣致劉峙、杜聿明電，透露國軍消耗各種炮彈十二餘萬發，而進展每日不及一公裏，引為“奇恥大辱”（電文藏南京二檔館），至此，蔣知徐蚌之間的鐵路線已無望打通，乃允杜棄徐州而後退守淮河以南。然杜於11月30日南撤時，不到幾天就被困於永城附近。蔣居然還要杜南下救黃維兵團。這又犯了“撤即不能打，打即不能撤”的兵家大忌。杜部孫元良兵團突圍未果被殲。12月15日，久被圍困的黃維兵團相繼覆滅。劉汝明與李延年兩兵團及時南逃得脫。各路皆潰後，杜聿明所領邱李兩兵團更形孤立於永城東北，已成孤立無援、坐以待斃的局麵。
杜聿明當然希望華中“剿總”與西北“剿總”能伸援手，蔣介石視杜為心腹，所部乃老本之老本，更希望能有救兵。但是胡宗南的西北兵團遠水救不了近火。不少曆史學者指出白崇禧在華中見死不救，由於蔣桂之間素有芥蒂，事出有因。宋希濂在其自述中更指白氏有倒蔣企圖，並阻宋部東援，不過宋氏記白氏所說：“形勢已無法挽救，去（援）亦無補於大局。”（宋希濂《鷹犬將軍》下冊，頁三九二）平心而論，應屬實情，再多送一些部隊去受殲，不如集中兵力於武漢，以保障華中和西南，應屬上策。犧牲蔣之老本，固於蔣不利，於國民黨而言，未嚐不可說是“棄帥保車”。再說，蔣別立徐州“剿總”，原具私心，以分白崇禧之兵權，指揮與調配不能如臂使指，咎由自取。中共那邊劉伯承曾說，解放軍在華東與西北為啞鈴之兩端，而其中原野戰軍為啞鈴之柄，渾然一體。國共交兵，勝敗之機，又見之矣。
杜聿明陷於重圍後，12月19日晚間，風雪大作，一直到12月28日，十天間無一日晴天，空投困難。在大軍餓肚子的情況下，蔣介石居然派飛機空投烈士紀念冊，意在要杜聿明去死，真是太妙了。杜被派赴前線之前，蔣介石曾召見他，表情沉痛地明告：這一會戰是生死存亡之戰，“你放下槍，我脫軍裝！”師生前途，在此一戰。於是杜聿明臨危受命，義無反顧。到了被困之日，他拒絕中共招降，也是感於老師“你放下槍，我脫軍裝！”這一番沉痛、這一番秘密告誡與叮嚀。但是，蔣介石畢竟是奸雄，一方麵，他明明想要杜聿明去死；他方麵，卻又不能不做救援的姿態，以表示他珍惜部下與將才。因此，形式上派飛機去接杜聿明之舉，也就一再演出。但真相卻是，飛機雖派了兩次，但駕駛員並未帶蔣介石的手令。沒有手令，杜聿明是不敢上飛機的。原來他們師徒兩人是有“密碼”（秘密意思表示）的。“密碼”不符，一切形式上的關懷，都屬無效。都是演給別人看的，不容你當真！
1948年12月19日起，由於戰地雨雪交加，空投補給更形困難，杜聿明的部隊已經吃起了草根、樹皮和馬肉，這種局麵，何能持久？翌年元月9日，杜聿明實在撐不下去了，做最後突圍嚐試，當晚他給了蔣介石最後一電：“各部隊已混亂，無法維持到明天，隻有當晚分頭突圍。”這種突圍，實際是各自逃命。杜聿明改穿士兵服裝，混跡其中，仍遭識破被俘。這次大會戰的結果，使國民黨的部隊全殲六十萬人，包括五十七個整師，元氣為之大傷。