12月1日，杜聿明集團40萬大軍撤棄徐州向西逃跑，結果被華野主力圍困在河南永城陳官莊地區。此時，整個徐蚌戰場被劉伯承當做一桌豐盛的酒席，他說他嘴裏吃著一塊（黃維兵團），手中挾著一塊（杜聿明集團），眼裏還看著一塊（李延年、劉汝明兩兵團）。為了爭取戰役主動，劉伯承決計集中近30萬大軍首先殲滅黃維兵團，然後再抽手對付陳官莊。而此時的杜聿明集團也已被殲8萬多人馬，隻能在陳官莊地區原地打轉，寸步難行。
同時，劉伯承、陳毅又增派華野3個師零5個團奔赴南線，死死地粘住李、劉兵團，令其進退兩難。
12月12日，劉伯承、陳毅發出“促黃維立即投降書”，指出：現在你所屬的4個軍業已大部被殲，就是你所依靠的“王牌”十八軍，亦已被殲過半。你的整個兵團全部被殲，隻是幾天內的事。在這種情況下，你本人和你的部屬，再做絕望的抵抗，不但沒有絲毫出路，隻能在人民解放軍的強烈炮火下完全毀滅。“你身為兵團司令，應愛惜部屬的生命，立即放下武器，不再讓你的官兵作無謂犧牲，如果你接受我們這一最後警告，請即派代表到本部談判投降條件。時間緊迫，望即決策。”
對此，新華社連續廣播，各縱隊抓緊時機，廣泛開展政治攻勢。蔣軍被瓦解了，整連、整營紛紛來降。
但黃維卻把“勸降書”撕得粉碎，拒絕投降，負隅頑抗，仍作困獸之鬥。
12月13日晚，解放軍發起最後殲滅黃維的戰鬥。總前委將華野第三、十三縱隊加入南集團，由華野參謀長陳士榘統一指揮，突擊敵核心陣地雙堆集，東、西兩集團的各縱隊分別向當麵之敵實施突擊。
12月14日，南集團攻占敵臨時機場南端陣地，以及雙堆集以南尖穀堆陣地，黃維兵團部完全暴露。東集團攻占楊老五莊、楊子全莊。
15日下午，各集團乘勝繼續攻擊，東、西集團通過敵人的嚴密火網，突破了敵人用汽車築成的防線與南集團會合。3個攻擊集團密切協同，迅速摧毀了敵人的指揮中心。
自從蔣介石同意第十二兵團突圍，並決定派空軍投擲毒氣彈和燃燒彈炸開共軍陣地之一角，設想全兵團能像決堤之水從這一缺口衝出去。
豈料，布置數次突圍，均不得手，不是風向問題就是空中、地下配合難以銜接。
楊伯濤曾親自和他的第一一八師師長尹鍾嶽監督軍械官指導一隊選定好的工兵向解放軍陣地試射“特種彈”。隻見對方陣地上冉冉升起像凝固了的一朵朵白雲向四周彌漫，眨眼間便覆蓋了整個陣地。
楊伯濤微微冷笑，下令炮兵開炮、步兵衝鋒，結果卻遭到解放軍更猛烈的反擊。衝鋒的步兵丟盔棄甲，逃回自己的據點。
楊伯濤感到十分迷惘，“特種彈”的威力哪去了？氣得楊伯濤把一張“特種彈”說明書撕得粉碎。
原來，是劉伯承用尿破了“毒氣陣”。劉伯承早就料到蔣軍最後會來這一手，所以他早就下達命令：各縱隊如遇敵人放毒氣，就讓戰士們用自己的尿浸濕毛巾捂住嘴、鼻就不礙事了。
12月15日早晨，黃維與胡璉一致認為再堅守下去已毫無意義，隻有立即突圍，或可能僥幸保存一部分兵員，以便將來重整旗鼓，東山再起。於是商定各部隊於黃昏6時統一行動，突圍後第一集合點為蚌埠之南，第二集合點為滁縣。
不料，蔣介石聞報大驚，於下午4時許特派王叔銘乘飛機在雙堆集上空盤旋，發話製止夜間突圍，令次日上午在空軍配合下突圍。