在戰鬥中，第22團團長徐學忠光榮負傷，3營楊副營長英勇犧牲。
15日，縱隊部署了攻城行動。第7旅主攻東門，第8旅第23團作第7旅預備隊；第9旅攻西門，第9縱隊的第80團歸第9旅指揮；第23團從城東北角攻城。
下午3時，第23團為了保證東西門主攻，提前向北門實施佯攻。戰士們抬著梯子、跳板，往返於城牆附近，分散敵人的注意力。下午5時，對宿縣總攻的戰鬥打響了。在東門，縱隊集中了第7旅、第8旅和野司加強的火炮，向城牆轟擊。半小時後，城牆被炸開了缺口，部隊像潮水一樣地湧進了城。第23團也在城北登城成功。作為第二梯隊的第22團主動投入戰鬥，同時進入了宿縣城。第9旅在西門經數次架橋，連續爆破，也突入城內。進城的部隊，立即向敵縱深發展，和敵人展開了激烈的巷戰。戰士們靈活機動地避開了敵裝甲車和巷口火力的封鎖，翻越或打通院牆，迅速向敵縱深迂回，從側後襲擊敵人。由於我入城各部隊大膽穿插、分割，加上敵內部番號眾多，指揮混亂，防禦組織迅速解體，終被我各個殲滅。16日3時，我軍占領了宿縣城，全殲守敵第25軍第148師、交警16總隊等1.25萬餘人，繳獲了大量我軍急需的軍械、軍需物資。
在攻克宿縣的戰鬥中，第8旅指戰員打得勇猛頑強、機動靈活，勝利地完成了縱隊交給的任務，俘敵4300多人。這次勝利，大大鼓舞了指戰員的鬥誌，進一步豐富了部隊攻堅戰的經驗，兵員物資也得到充分的補充，為繼續參加淮海戰役增強了強大的物質和精神力量。
與此同時，兄弟部隊占領了津浦線上的夾溝、固鎮，破壞了徐州以南曹村至固鎮的近100公裏的鐵路，控製了以宿縣為中心的徐蚌間的廣大地區，斬斷了敵徐州與蚌埠之間的聯係，使敵劉汝明、李延年二兵團無法向北靠攏，孤立了徐州，提前完成了對徐州的戰略包圍，有力地保障了華東野戰軍圍殲黃百韜兵團，並為淮海戰役第二階段包圍黃維兵團準備了戰場。中央軍委對隔斷徐州、蚌埠，使徐州之敵完全孤立這一作戰行動，給予了高度評價。圍棋對奕中有“一子定輸贏”之說，劉伯承提出的切斷津浦線，就是對全局具有戰略意義的一著棋。