黃維兵團第14軍各部潰不成軍，企圖向南逃竄。可是79團早已等候多時了，對準國民黨軍迎頭痛擊。第14軍各部轉而向西逃竄，又遭到38團的阻擊。
經過一個小時的激戰，第4縱隊和第9縱隊合力攻占楊圍子，全殲黃維兵團第14軍軍部及10師、85師各一個團和炮兵一個連。第14軍軍長熊綬春被擊斃，副軍長穀炳奎、參謀長梁岱等人被活捉。
陳賡司令員得知熊綬春被擊斃的消息後，讓人找到了熊綬春的屍體，將其埋在南坪集附近一個小土堆上，並立了個木牌，上寫“第十四軍軍長熊綬春之墓”，以方便熊綬春的親屬來收屍。解放軍這種人道主義精神使國民黨軍俘虜深受感動。
解放軍戰士給國民黨軍傷員送水送飯華東野戰軍第3縱隊司令員孫繼先、政治委員丁秋生於10日到總前委領受了任務。劉伯承司令員對他倆說：“現在，經過我軍層層剝皮作戰，中原野戰軍在華東野戰軍一部的配合下，已經吃掉了黃維兵團的大部分力量。目前黃維兵團能用作突擊的兵力已經不足六個團了，但該兵團畢竟是蔣介石的嫡係，第18軍又號稱國民黨軍五大主力之一。所以，為了加速黃維兵團的滅亡，需要你們前來幫著燒把火。你們要派出得力部隊從中原野戰軍第6縱隊地段加入戰鬥。”老首長陳毅司令員樂嗬嗬地對他倆說：“這次你們三縱擔當突擊，莫要忘了你們是代表華東野戰軍的，我給你們提三條意見：第一，要首先打進去，隻有首先打進去，才是對兄弟部隊的最大支援；第二，要虛心向兄弟部隊學習，主動搞好團結；第三，繳獲的戰利品，大到武器彈藥和俘虜，小到日用品和紙片，都要全部交給兄弟部隊，不準任何人‘打埋伏’。”
聽了劉伯承和陳毅司令員的指示，孫繼先、丁秋生非常高興，心情非常激動，表示一定要按照首長的指示，堅決完成任務，為全殲黃維兵團做出應有的貢獻。
孫繼先、丁秋生回到部隊以後，把劉伯承、陳毅司令員的指示向第3縱隊各級幹部作了認真傳達。大家一致認為：這一仗不僅是一個攻堅仗、殲滅仗，而且還是一個“團結仗”。隻有與兄弟部隊團結好，協同配合好，才能取得最圓滿徹底的勝利。為此，必須精心組織戰鬥，務求突擊成功。
孫繼先迅速製定了作戰部署：考慮到總前委分給華東野戰軍第3縱隊的突擊地段有限，先頭隻能展開一個營，所以確定以8師23團歸中原野戰軍第6縱隊17旅指揮，擔任突擊任務，該團1營作突擊營；其餘團待命投入戰鬥。縱隊炮兵團野炮一個連、山炮兩個連加強給8師，連同師山炮營及23、24團迫擊炮連，組成兩個直接支援炮群，在師參謀長畢慶堂統一指揮下，支援23團1營實施突擊。配屬縱隊的華東野戰軍特種兵縱隊炮兵團及第3縱隊炮兵團大部，由縱隊司令部直接指揮，負責壓製國民黨軍縱深火力。9師在蘄縣集東南地區構築工事，加強對蚌埠方向國民黨軍的警戒。
13日，華東野戰軍第3縱隊各部隊進入陣地，抓緊時間進行各項作戰準備工作。
華東野戰軍第7縱隊於9日傍晚發起攻擊。20師58團在炮火掩護下，迅速突入大王莊，殲滅國民黨第18軍第8師33團（欠1個營）。隨後，20師第59團接防大王莊。國民黨軍組織兵力進行反擊，企圖奪回大王莊。59團官兵奮勇抗擊國民黨軍的衝擊。由於兵力懸殊過大，59團傷亡很大。經過激戰，國民黨軍占領了大王莊大部，59團被迫退到村西南角堅持戰鬥。第20師師長張懷忠急忙派出第46團和第59團，力圖奪回大王莊。46團團長唐明春、政治委員鍾良樹率部迅速向大王莊開進，在村南同59團會合。兩團領導經過商量，決定在拂曉以前發起一次反擊，奪回大王莊。
10日淩晨4點，46團參謀長張超指揮第1、3營，兵分4路，沿著交通壕向大王莊發起猛烈反擊，團政治委員鍾良樹指揮第2營占領村西側陣地進行掩護。59團也迅速投入戰鬥。經過激戰，46團和59團打退了國民黨軍，重新占領了大王莊。天亮以後，國民黨18軍兩個團又攻了上來，坦克從兩翼進行迂回，繞到了46團、59團陣地側後。國民黨軍企圖對46團、59團進行腹背夾擊，再次占領大王莊。46團和59團全體官兵沉著應戰，密切協同，互相支援，同國民黨軍逐溝逐堡，反複爭奪。戰士們高喊著“人在陣地在”、“寧願戰死也決不丟失陣地”的口號，朝國民黨軍奮勇衝殺。46團1營營長高俊傑專門組織火箭筒、爆破手打坦克，擊毀了多輛國民黨軍坦克，剩下的坦克見勢不妙，紛紛逃跑。1營2連大部分戰士都犧牲了，最後隻剩下排長張大興和兩名戰士，他們身上也已經負傷，但是仍然堅持戰鬥，打退了國民黨軍一次次的衝擊。
戰鬥是異常的激烈，已經達到了白熱化的程度。下午3點30分，20師60團第1營又加入戰鬥。
在參戰官兵的共同努力下，大王莊國民黨軍被全部殲滅。
10日晚上8點，盤踞小王莊的國民黨軍第23師兩個團向華東野戰軍第7縱隊投降。
中原野戰軍第1縱隊箭指小馬莊。小馬莊位於雙堆集北3公裏處，國民黨第10軍18師342團3營在此防守，他們在莊裏構築了大量碉堡，構成了黃維兵團的北麵屏障。為了首戰獲勝，第1縱隊戰前做了充分準備。
12日，攻打小馬莊的戰鬥打響了。第59團在縱隊炮兵火力支援下，迅速攻占了獨立家屋，突破了國民黨軍前沿陣地，第58團很快跟了上來，與59團一起向縱深發展，多次打退了國民黨軍的反衝擊。第二天淩晨1點30分，第1縱隊全殲第10軍18師342團3營，勝利攻占小馬莊。
中原野戰軍第9縱隊於11日配合第4縱隊全殲了盤踞楊圍子的國民黨第10軍、14軍軍部及所屬殘部。
豫皖蘇軍區獨立旅向雙堆集東北的張圍子發起了進攻，進一步壓縮包圍圈。獨立旅首先拿下了張圍子北麵的據點小張莊，殲滅國民黨軍兩個營。據守張圍子的國民黨軍在坦克的掩護下，反撲了過來。獨立旅官兵繞開了坦克，從側翼截斷了國民黨軍坦克與步兵的聯係，然後分割包圍，一個個予以吃掉。獨立旅又向小楊莊發起進攻，這裏有國民黨軍一個加強團。該敵憑借堅固工事進行頑抗，並以猛烈火力掃射獨立旅。獨立旅官兵以國民黨軍屍體為掩護，伏地匍匐前進，迅速逼近國民黨軍工事，把一排排的手榴彈和一包包的炸藥投了進去，在震耳欲聾的爆炸聲中，國民黨軍被全部殲滅，獨立旅順利攻占小楊莊。國民黨軍又發起了多次反撲，但都被堅守小楊莊陣地的30團打退。獨立旅全體官兵再接再厲，又相繼攻占了張圍子、楊圍子。
12月12日，劉伯承、陳毅發出了《促黃維立即投降書》，向黃維指出：
現在你所屬的四個軍，業已大部被殲。八十五軍除少數人員外，已全部覆滅。十四軍所剩不過兩千人，十軍業已被殲三分之二以上。就是你所依靠的王牌十八軍，也已被殲過半。你的四個軍，全部殲滅，隻是幾天的事。而你所希望的援兵孫元良兵團，業已全殲。邱清泉、李彌兩兵團業已陷入重圍，損失慘重，自身難保，必被殲滅。李延年兵團被我軍阻擊，尚在八十裏以外，寸步難移，且傷亡慘重。在這種情況下，你本人和你的部屬，再作絕望的抵抗，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的犧牲。如果你接受我們這一最後警告，請立即派代表到本部談判投降條件。時機緊迫，望即決策。
設在邯鄲的新華廣播電台，日夜輪番播告《促黃維立即投降書》。黃維兵團個個心驚膽戰，猶如熱鍋上的螞蟻。
黃維拒絕投降，垂死掙紮，還施放毒氣，進行頑抗。
黃維兵團施放毒氣妄圖阻擊我軍攻擊，我軍戰士戴上防毒麵具繼續攻擊中原野戰軍第9縱隊與第11縱隊協同攻殲楊子全、楊老五、三棵樹等據點，先後殲滅第10軍75師224、225團各一部及該師工兵營。這樣，就從黃維兵團防禦的東北方向撕開了口子，黃維兵團部側背完全暴露在中原野戰軍攻擊部隊麵前。
激戰至12月13日，東集團占領沈莊、楊圍子、楊莊；西集團攻克東西馬圍子、周莊、腰周圈、小馬莊；南集團拿下李土樓、小周莊、大小王莊等地。黃維兵團第14軍全部和第85、18軍各一部被全殲，殘餘力量龜縮在方圓不到3平方裏的狹小地域內，官兵死傷慘重，饑寒交迫。
為了迅速殲滅黃維兵團，總前委進一步調整部署：以南集團為主，東西集團配合，調華東野戰軍第3、13縱隊加入南集團作戰，南集團改由華東野戰軍參謀長陳士榘指揮，魯中南縱隊為戰役預備隊。這樣，以南集團為主，東西兩集團相互配合，三路大軍直攻黃維兵團指揮中心雙堆集核心陣地，對拒絕投降的黃維兵團發起了最後的總攻。
3浴血雙堆集
華東野戰軍“洛陽營”與中原野戰軍“襄陽營”合力殲滅黃維兵團“威武團”。黃維不禁歎氣：所謂突圍，實際上是亂跑。楊勇遺憾地說：可惜胡璉給跑掉了。
解放軍總攻時，炮兵在向雙堆集轟擊14日傍晚，華東野戰軍第3縱隊23團“洛陽營”即1營與中原野戰軍第6縱隊17旅“襄陽營”即1營密切協同，朝雙堆集東側黃維兵團核心集團工事發起攻擊。防守此處的是黃維兵團第18師54團，號稱“威武團”，是黃維賴以保駕的精銳部隊。這個據點距離黃維兵團部隻有兩公裏，是其東南麵的最後屏障。集團工事的西麵就是國民黨軍的榴炮陣地和臨時機場。為了固守此處，54團修築了厚厚的土圩，形成以許多地堡為骨幹的環形防禦。土圩外是六個觸角似的集團堡壘，土圩上密布地堡及火力點，土圩內是複雜的交通壕，密排著蜂窩似的散兵坑和掩蔽部。54團機動兵力可以隨時沿壕溝投向任何一處被攻破的缺口。中原野戰軍第6縱隊第17旅旅長李德生多次勘察敵情、地形，製定了嚴密的作戰方案和步炮協同計劃。