經過三個小時激戰，第4縱隊全殲第10軍75師一個師部和兩個團，攻占楊文學莊。各部隊隨即向雙堆集進行突擊，並堵擊、追擊四處突圍的國民黨軍。
中原野戰軍第9縱隊與第11縱隊協同攻殲楊四麻子守敵，爾後直搗雙堆集。第9縱隊司令員秦基偉下達命令：26旅作為第一梯隊，從楊四麻子正東實施主要突擊；27旅作為第二梯隊，視機向縱深發展。他同時要求各部隊周密進行攻擊準備，確保一舉攻殲，獲取全勝。各突擊隊紛紛潛到國民黨軍陣地前沿，反複觀察地形，一一指示目標，分配具體任務。突擊隊員們充分發揚軍事民主，具體設想和討論了鹿砦沒炸開、地堡未打垮怎麼辦，躍入外壕後捉不捉俘虜、繳不繳武器等情況的處置和戰術動作，直到每個隊員都胸有成竹。
由於準備充分，攻擊發起後官兵們以淩厲攻勢迅速突破國民黨軍陣地，連續打退國民黨軍反撲，鞏固發展了突破口。26旅經過3個小時激戰，殲滅國民黨軍75師224團（欠1個營），攻克了雙堆集東北方向最後一個據點。這時，黃維兵團在解放軍各路大軍猛烈突擊之下，早已無招架之力，被迫組織殘部突圍，人馬嘈雜，一片混亂。秦基偉當機立斷，指揮部隊一鼓作氣直搗雙堆集。整個戰場沸騰了起來，夜幕中到處是槍聲、手榴彈爆炸聲和人們的呼喊聲。26旅迅速占領黃維兵團部所在地小馬莊。隻見指揮部掩體內，槍支、彈藥、被裝、文件七零八落，一架被手槍子彈穿了幾個窟窿的報話機歪在牆角，連那張標著突圍部署的軍用地圖也沒有來得及毀掉。26旅接連占領雙堆集以東國民黨軍炮兵陣地，繳獲野炮和榴炮大部分，並控製了賴莊臨時機場。27旅也一舉攻占吳莊、賴莊、金莊諸點。之後，第9縱隊與友鄰兵團攻進黃維兵團核心據點雙堆集。
中原野戰軍第11縱隊發揚連續戰鬥的作風，向楊四麻子發起攻擊。77團、97團擔任主攻，96團作為第二梯隊。97團發起衝擊後，一路突破國民黨軍前沿陣地，持續向縱深發展。突然，西南角地堡群中有一股火力非常凶猛，從側麵阻擋住97團。97團馬上呼喚縱隊炮兵的支持，很快縱隊炮兵按照指示的目標進行了猛烈炮擊，壓製住了國民黨軍從側麵射來的火力，97團乘勢繼續前進。77團也迅速突破前沿。97團在深入縱深的過程中，不少幹部戰士傷亡，但又迅速得到補充調整。連幹部犧牲了，班排長就自動代理；班排長犧牲了，戰士們就自動代理，各個連隊始終保持著完整統一的指揮。4連、5連隻剩下8個人了，5連連長齊培元把這8個人集中組織起來，繼續堅持戰鬥。2營在突擊中遭到國民黨軍炮火轟擊，一發炮彈朝營長王正業打過來。營部通信員宋集誌迅速撲倒營長，自己卻被炮彈擊中，英勇犧牲。為了迅速越過國民黨軍挖的壕溝，解放戰士宋儒伏在壕溝上，以自己的身體搭起了一個人梯，讓戰友們從他身上躍進。隨後，他又迅速跟進，自己還親手繳獲了兩門炮。晚上7點，楊四麻子戰鬥勝利結束，國民黨守軍全部覆滅。
華東野戰軍第7縱隊和中原野戰軍第6縱隊第16旅47團攻占了尖穀堆高地和李店子外圍國民黨軍野戰陣地。尖穀堆高25米，是這個平坦地區的製高點，也是黃維兵團防禦陣地南部的屏障。攻占這個陣地，使黃維兵團部、雙堆集核心陣地、炮兵陣地、快速縱隊的車輛和臨時機場全部暴露在解放軍麵前。
華東野戰軍第13縱隊與第7縱隊並肩向雙堆集主陣地發起攻擊。第13縱隊37師110團一路猛衝，攻占五空橋，越過黃溝河，直逼河東岸的集團堡。111團突破了國民黨軍炮火的嚴密封鎖，突過黃溝河，一口氣攻克了雙堆集西側的幾個集團堡。殲滅黃維兵團的雙堆集戰場一角109團作為二梯隊，也積極越過黃溝河，向雙堆集主陣地攻擊。國民黨第18軍一部遭到110團和111團的迎頭痛擊，死傷慘重。國民黨軍有幾輛坦克從平穀堆南側突出，繞到了37師指揮所附近。109團發現後，迅速進行截擊，擊毀1輛，其他坦克見勢不妙，乘著陣地空隙向南逃竄，結果被其他縱隊截獲。109團3營通訊班長李世和一個人，親自活捉了第18軍軍長楊伯濤。115團宣傳股長苗生新帶領機關人員，堵住了一部國民黨軍，通過戰場喊話，這股國民黨軍繳械投降，俘虜有1000多人。116團迅速占領了平穀堆，迫使國民黨軍632團投降。在戰鬥中，華東野戰軍第13縱隊司令員周誌堅深深地感到：大兵團作戰，高級幹部要全局在胸，發揮高度的主觀能動性，努力完成上級賦予的任務，實現戰役意圖；主要戰鬥的勝負，都對全局有關；要正確理解自己所受領任務的地位、作用、目的，並帶領所屬不惜一切代價完成任務，對戰役全局負責。
與此同時，華東野戰軍第6縱隊、渤海縱隊第11師、中原野戰軍第2縱隊和豫皖蘇軍區5個團，在固鎮、新橋、曹老集一帶阻擊李延年、劉汝明兵團，先後殲滅國民黨軍萬餘人。
晚上12點，黃維兵團全軍覆沒。此戰，中原野戰軍和華東野戰軍共殲滅國民黨軍1個兵團部（不含孫元良兵團）、4個軍部、11個整師（其中1個師起義），總計10萬餘人。黃維兵團司令官黃維、副司令官吳紹周被俘虜，副司令官胡璉等少數人逃脫。
得知胡璉逃跑的消息，中原野戰軍第1縱隊司令員楊勇遺憾地說：“我們寧願俘虜一個胡璉，不願俘虜十個黃維。可惜胡璉給跑掉了。”
隨著炮聲的寂落，各色信號彈騰空而起，指戰員們呼喊著，跳躍著，沉浸在勝利的歡樂之中。
在雙堆集殲滅戰中，中原野戰軍第3縱隊副政治委員閻紅彥由於過度操勞，頭頂上突然白了一塊頭發。鄧小平看到後，開玩笑地說：“老閻頭發白了一片，像伍子胥一樣啦！沒關係，以後還會變黑的。”閻紅彥也“嘿嘿”地笑了。
很快，邯鄲人民廣播電台在第一時間廣播了全殲黃維兵團的勝利消息。
黃維兵團的被殲，砍掉了搖搖欲墜的蔣介石反動統治的又一根有力支柱，使徐州杜聿明集團軍心更加動搖，大大加速了淮海戰役的進程。
解放軍繳獲的國民黨第12兵團的關防和司令官黃維的印章得知黃維兵團被全殲的消息，李延年、劉汝明兵團全線潰逃。
17日拂曉，華東野戰軍第6縱隊各部隊對李延年、劉汝明兵團進行分路追擊。至此，第6縱隊在兄弟部隊協同下，完成了阻擊李延年、劉汝明兵團北援，保障主力圍殲黃維兵團的任務。
得到黃維兵團被殲的消息後，蔣介石坐在椅子上沉默良久。他對逃回來的胡璉等人不但沒有責備，反而百般撫慰，表揚他們忠誠、堅持到底沒有投降，對解圍作戰不力的李延年兵團也沒有苛責。李延年打電話給戰地視察官李以劻說：“徐州作戰計劃是老頭子決定的，這次大敗，他老似有懺悔之意，現在沒有上月那樣暴怒，沉靜得多了。”李以劻說：“是啊，對外圍作戰守淮的劉汝明兵團，老頭子更是一句重話也沒有說過，隻有慰勉借重之意。”
但是劉汝明兵團參謀長楊然看得很明白，對李以劻說：“對雜牌部隊作戰，在戰場上隻能感動，不宜苛責，我們校長當然知道的。變了怎麼辦呀！如孫良誠在戰役開始不久率第107軍在睢寧大王集投降後，共產黨派他來蚌埠勸劉汝明起義，劉汝明為報蔣的恩遇，將老友孫良誠行動電告總統，結果孫被送往南京軍法局去了。可見雜牌部隊統馭得好，共產黨想策反也是不容易的。”
李以劻這才明白，雖然劉汝明一味保持實力，一再避戰，但是蔣介石還對他這樣寬容，主要目的還是為了防止劉汝明背叛他，投降共產黨那一邊。
中國共產黨中央委員會電賀中原解放軍及華東解放軍在淮海戰役第二階段中的偉大勝利。原電如下：
劉伯承、陳毅、鄧小平、饒漱石、張雲逸、粟裕、譚震林、陳賡諸同誌及中原人民解放軍、華東人民解放軍全體同誌們：
慶賀你們繼淮海戰役第一階段的偉大勝利之後，又贏得了第二階段的偉大勝利。自十一月廿三日至十二月十七日止，你們解放了戰略要地徐州；全部殲滅了國民黨最精銳兵團之一的黃維全部第十二兵團四個軍十個師及一個快速縱隊；生俘該兵團正副司令黃維、吳紹周；爭取了黃維兵團之一一零師廖運周部起義；包圍了由徐州向永城方向逃竄的杜聿明匪部邱清泉、李彌、孫元良諸兵團，並殲滅該敵三分之一以上；給從蚌埠向西北增援的李延年、劉汝明諸兵團以嚴重打擊，迫使其向淮河以南回竄，從而使杜聿明匪部完全孤立於永城東北地區，糧盡援絕，坐以待斃；同時，又解放了淮陰、淮安，攻克靈璧，使淮河以北全境除杜聿明匪部所據永城東北地區之小塊據點以外，均獲解放，對於今後作戰極為有利。凡此偉大戰績，均我英勇將士努力奮戰，前後方黨政軍民一致協作的結果。特向你們致以熱烈的慶賀與慰問之忱。尚望團結全體軍民，繼續努力，為全部殲滅當麵匪軍而戰！
中國共產黨中央委員會
一九四八年十二月十八日
黃維被俘後，經過長期學習，認識了“隻有社會主義才能救中國”的真理，對自己在抗戰勝利後被卷入內戰，表示極為痛心，願意在後半生為建設民主獨立、繁榮富強的新中國貢獻力量。1975年3月被特赦釋放後，任全國政協文史資料研究委員會專員。1978年後，曆任政協第五屆、六屆全國委員會常務委員。