為了掃清步兵前進攻擊的障礙，華東野戰軍第3縱隊和中原野戰軍第6縱隊集中全部炮兵，花費了兩個小時的時間持續轟擊第18師54團陣地。“襄陽營”從西南角，“洛陽營”從東南角，猶如兩支利箭插向“威武團”。“洛陽營”1、2連猛攻圩子，3連和加強連攻擊右側的堡壘。全營官兵隨身裝滿了手榴彈和炸藥包，見國民黨軍就打，見地堡就炸，打得非常勇猛。在戰鬥中，教導員孫啟明不幸中彈犧牲。“威武團”頑固抵抗，還不斷組織反撲，企圖阻擋住解放軍的進攻。有的地堡已經被包圍了，但裏麵的國民黨軍還垂死掙紮，不肯投降。1連戰士衝進一個大地堡，用槍指著裏麵的國民黨軍大聲說：“繳槍不殺！”不料國民黨軍竟然拿起機槍掃射了過來。1班戰士李景坤飛起一腳，踢飛了國民黨軍手裏的機槍，並將他們全部擊斃。
“襄陽營”營長何滿崗、教導員譚笑林率領部隊勇猛迅速地突入國民黨軍陣地，奮勇衝殺。第49團1連3排僅剩下戰士3人，殺敵英雄劉乃江主動站出來指揮，連續打退國民黨軍數次反撲。第3連2排排長管成良負傷了堅持不下火線。“襄陽營”越打越勇，有的戰士和國民黨軍展開了白刃格鬥。這時，兩個縱隊的炮兵再一次大展神威，按照步兵的指引，猛烈轟擊“威武團”盤踞的據點工事。步兵和炮兵密切協同，不斷給予“威武團”沉重打擊，一步步把他們逼向死亡之路。
“洛陽營”和“襄陽營”協同作戰，齊頭並進。“襄陽營”1連3排一直衝在最前麵，由於“威武團”炮火比較凶猛，不少戰士都犧牲了，在突破口內連續打退國民黨軍幾次反撲之後，隻剩下3個戰士了，在這關鍵時刻，沿著南圩牆向西發展的“洛陽營”1連3排迅速支援了上來，配合“襄陽營”打退國民黨軍的反撲。
經過兩個小時激戰，“洛陽營”和“襄陽營”合力吃掉了“威武團”。
晚上，中原野戰軍第6縱隊、華東野戰軍第3縱隊各一部攻占了雙堆集東北黃維兵團空投場南端集團陣地，殲滅第18師54團全部及8、9團殘部。中原野戰軍第4、第9縱隊攻克楊老五莊、楊自全莊。華東野戰軍第7縱隊攻克雙堆集以南尖穀堆陣地，殲滅第33團殘部、第118師一個步兵連和一個工兵連。這樣，黃維兵團部核心陣地全部孤立和暴露。
由於黃維拒絕投降，總前委決定對黃維兵團發起最後攻擊。廣大官兵都意識到這將是對黃維兵團具有決定意義的一仗，因此進行了充分準備。各突擊隊普遍結合近似實戰的情況，反複進行了演練和周密的偵察，對於可能出現的情況都訂立了預案。各連隊幹部親自帶領突擊隊員觀察地形，拿土擺沙盤給戰士們研究，把黃維兵團設置的地堡、鹿砦位置畫在門板上，和戰士們一起討論。有的部隊還在國民黨軍俘虜兵中做詳細調查，了解黃維兵團陣地和內部具體情況。各連隊黨支部針對每個戰士的不同情況，一個一個地做思想工作，對每個戰士的披掛逐一做了檢查。戰士們感到心裏更亮堂，更踏實了，完成任務的信心更足了。
此時，黃維和胡璉都認為在雙堆集已到了末日，或者再抵抗一兩天，也是坐以待斃，毫無意義；如果立即突圍逃命，還可以僥幸保存一部分殘兵敗將，也好重整旗鼓。黃維決定突圍，他一麵致電蔣介石和空軍總部，要求務必於15日實施用凝固汽油彈大規模轟炸計劃，一麵命令各軍秘密作好行動的準備。
15日上午9點多鍾，空軍副總司令王叔銘飛到陣地上空，告訴黃維：“不能照計劃實施。”黃維說：“你不能照計劃實施，我隻好自己斷然處置了。”他召來第10軍軍長覃道善和第18軍軍長楊伯濤，當麵決定目標，準備分別突圍。
黃維說：“解放軍圍攻的重點是保持在雙堆集南麵和東南角，主要是擋住通往蚌埠的去路，雙堆集的西麵和北麵則是解放軍的後方，除直接圍攻的兵力外，第二線梯形配備的兵力必然不多。所以主要突圍方向選在西、北、東三麵。”
黃維隨即口述了突圍命令：第10軍第75師和第114師向東突圍，突出後再向南奔蚌埠；第18師向東北角突圍，向東北繞個圈子後再奔蚌埠；第18軍第11師向正西突圍，由黃維、胡璉親自指揮配屬裝甲車向前開路，步兵跟著猛衝；黃維、胡璉、吳紹周各分配一輛戰車，隻要前麵打開一個缺口，他們就不顧一切闖出去；第18軍第118師及所有炮兵、工兵部隊向西北角突圍，突出後向西繞個圈子，再向南循蒙城、蚌埠間方向逃跑。
黃維說：“第一集合地為蚌埠以南的鳳台縣，第二集合地為滁縣。各部隊於黃昏後同時開始突圍。”
黃維、胡璉還特別交待：武器裝備要統統帶走，絕不能留給解放軍。各部隊在突圍時對於輕重機關槍、衝鋒槍、六○炮、步槍等武器，能帶走則盡量帶走；對於不能帶走的迫擊炮、山炮、野炮、榴彈炮等重武器，一律破壞，該施行膛炸的就膛炸，該將炮閂折毀的就折毀，凡是不能打碎的重要裝備就埋藏起來。炮兵的剪形鏡，通信兵的總機、分機、無線電台等一律要砸碎。
下午３點，圍殲黃維兵團的關鍵時刻來到了。
總前委發出了總攻的命令。頃刻間，密集的炮彈開始在國民黨軍的陣地上轟鳴，大地濃煙滾滾，火煙連成一片。炮火準備後，中原野戰軍和華東野戰軍各攻擊部隊發起了強大的攻勢。
南集團等部隊銳不可當，連克敵陣，迅速突入黃維兵團雙堆集核心工事。
東、西集團穿過嚴密的火網和嗆人的煙霧，越過由塹壕、地堡群組成的陣地和用汽車築成的防線，向南集團會合。
三股力量很快會合一起，迅速摧毀了黃維兵團的指揮中心，無數蓬頭垢麵、衣衫襤褸的國民黨軍從冒著煙的地堡裏爬出來，從深深的地洞裏鑽出來，向解放軍舉手投降。
15日黃昏，黃維兵團開始突圍。他原來製定了“四麵開弓，全線反撲，覓縫鑽隙，衝出重圍”的突圍原則，從西、北、東三麵實施突圍。可是真正突圍起來，各部隊都亂了套，都沒有按命令執行。“四麵開弓”成了不辨方向的四處亂跑，“全線反撲”根本就成了一句空話，“覓縫鑽隙”卻根本沒有縫隙可鑽。並且首先違反命令的就是黃維和胡璉。他倆擔心晚上坦克車不好開，行動不了，在下午四點多鍾就提前命令第11師和坦克車部隊開始突圍，比原定時間早了一個多小時。黃維、胡璉每人抓了一大包安眠藥，跳上坦克車就跑了。一路上，透過窺視鏡，黃維發現：自己兵團各部正爭先恐後地逃命，各自亂跑，而解放軍是層層截擊。他不禁歎氣：所謂突圍，實際上是亂跑。
突然，黃維感覺坦克車不動了，原來是發生了故障。黃維心裏暗罵：不早不晚，在逃命的時候出故障了，這不是害我嗎！無奈之下，他不得不下了坦克車。看見胡璉乘坐的坦克車瘋了一般地從自己麵前穿過，黃維連忙喊了幾句，想讓胡璉等等自己，可是眨眼之間胡璉那輛坦克就不見了蹤影。黃維隻好假裝成普通士兵，混在人群中亂跑，他也分不清東西南北了。很快，他被解放軍士兵俘虜。
解放軍在雙堆集戰鬥中全殲黃維兵團，這是被俘的黃維和他的部下中原野戰軍第1縱隊司令部通過偵察發現：國民黨軍飛機對李圍子、瓦八裏廟、丁莊、丁胡莊陣地狂轟濫炸，國民黨軍密集縱隊從大王莊、葛莊以南，向平穀堆靠近。同時，前後劉莊有大量國民黨軍經平穀堆向西北方向運動，並有一部從前、後劉莊向西運動，隊形中有坦克和車輛。司令部迅速把這一情況報告司令員楊勇。楊勇和參謀長潘焱研究後判斷：黃維兵團正在實施突圍，而且方向就是第一縱隊這邊。
楊勇一麵向總前委報告，一麵命令部隊迅速出擊。1旅2團在羅莊攻擊向西運動的國民黨軍，2營經小馬莊向葛莊方向出擊，團主力以平穀堆為目標向南攻擊。晚上8點，1團2營一舉攻占大王莊。7團向東出擊，2旅8團、20旅62團，從羅莊西側向平穀堆及其西北出擊。多路兵力勇猛截擊突圍的國民黨軍。1旅直屬分隊迅速占領了丁胡莊附近有利地形，截殲突圍的國民黨軍。2旅主力向東突擊，一部兵力跑步進至肖莊以東進行截擊，另有一部兵力經丁莊以平穀堆為目標向東出擊。20旅從雙堆集北前後劉莊向平穀堆方向進行截擊。此時，各兄弟部隊也從四麵向突圍的國民黨軍出擊。
中原野戰軍第3縱隊各旅、團分路追殲逃敵，相繼占領大王莊、三官廟、郭莊、金莊等地，直指雙堆集。9旅迂回到前鋪子、蘆溝集進行堵截，所到之處，國民黨軍紛紛繳械投降。
中原野戰軍第4縱隊集中了10、11、13、22旅共五個團的兵力，再次攻向楊文學莊。由於預先做好了防備國民黨軍炮火和毒氣的各項準備，這一次戰鬥進展比較順利。37團隻用了四分鍾的時間就從西南突破國民黨軍前沿陣地，一連攻克16個碉堡，直插第10軍75師腹心陣地。其他各團也都高歌猛進，一舉突破國民黨軍防禦陣地。