当然，黄维兵团在突围无望时，也曾有过救援有望的兴奋时刻。一是12月1日，杜聿明率领邱清泉二兵团、李弥十三兵团、孙元良十六兵团等3个兵团南下，声势浩大，大有可能抄我军侧背、对我军实施夹击的办法来解黄维兵团之围的架势，这曾给黄维兵团官兵以固守待援的信心。
然而，至12月6日，杜聿明集团全部被华东我军堵截在永城东北的陈官庄、青龙集、李石林地区，与黄维兵团会合的企图彻底失败后，黄维兵团官兵陷入沮丧情绪之中。
胡琏从南京乘飞机到双堆集，告之蒋介石调集大军增援黄维兵团的决心后，黄维兵团官兵也曾受到鼓舞。
黄维兵团被包围后，蒋介石听到胡琏没有在部队，立刻电召胡琏到南京，商讨使黄维兵团转为有利态势的对策。胡琏认为，“这次作战，共产党倾其全力，规模空前，是国共两党最后的大决战；如这一仗打胜了，可以凭江淮之阻拱卫南京，与共产党平分天下，再图反攻声建议蒋介石放弃北方，固守南方，集中全力打胜这一仗。”
胡琏还认为，十二兵团能够坚守一个时间，等待援兵的到达，请蒋介石迅速抽调援军，并慨然自愿飞赴双堆集，协助黄维鼓舞士气，调整态势。
胡琏飞到双堆集后，确实对十二兵团官兵注射了一支强心针。但几天后蒋介石允诺的援军成为一个骗局时，十二兵团官兵更加充满了悲观失望的情绪。
更使十二兵团官兵陷入绝望情绪的，是八十五军二十三师师长黄子华于12月10日率部向我军投诚。黄子华师投诚，使黄维兵团的防御体系彻底破裂，双堆集阵地东南失去外围，完全暴露在我军面前。时任敌十八军军长的杨伯涛回忆说：“黄子华投降，第十八军阵地一角去了一块挡箭牌，全部阵地敞开，遭受解放军重点攻击。”
黄维回忆说：“特别是黄师投诚，使第十二兵团整个阵地体系破裂，第十八军和第十军残部愈陷于悲观绝望气氛。”
黄维在固守待援无望时，终于选择突围，并制定了“四面开弓，全线反扑，觅缝钻隙，冲出重围”的突围方针，然而，突围计划在我军的猛烈总攻中破产了。
总前委决定，12月6日开始对黄维兵团实施全线攻击。
陈赓、谢富治指挥中原野战军第四、第九、第十一纵队和豫皖苏独立旅及华东野战军特纵炮兵主力为东集团，先歼灭双堆集以东的沈庄、张围子、李围子及4个杨庄之敌。
陈锡联指挥中原野战军第一、第三纵队和华东野战军第十三纵队及特纵炮兵一部为西集团，歼击马围子、三官宙、葛庄、许庄、后周庄之敌。
王近山、杜义德指挥中原野战军第六纵队、陕南第十二旅和华东野战军第七纵队为南集团，歼击双堆集以南之敌。
在3个突击集团中，由东面集团担任主要突击任务。
指挥主要突击集团的陈赓决定，东集团首先在东北角从李围子打开缺口，四纵承担了打开缺口的任务。
李围子守敌为国民党军十四军第十师（欠二十八团），依托村庄构成了三层坚固环形防御体系，在村庄外面以外壕、地雷、鹿砦、铁丝网等障碍物为外围阵地，在村沿筑有梅花形集团工事的为主阵地，村内以坚固房屋构成核心阵地。
12月6日，陈赓命令十旅、十一旅和炮三团协同攻击李围子。十旅由西北、正北和东北方向对敌实施主要攻击，十一旅由正东及东南面突击。共计投入3个整团另1个营的兵力，突击团各编组为两个突击营并肩突击，每个突击营各编为两个突击连连续突击。
集中榴弹炮6门、野炮4门、山炮13门，组成左、右翼和中央3个炮兵群，同时安置了15个炸药抛射筒。
15时30分，解放军实施炮火准备和炸药抛射筒的排射轰击，几十门各种口径的重炮，把炮弹几十颗一排地倾泻在国民党军的工事上，炸药抛射筒发射的无数颗‘飞雷”，把大量的炸药抛掷到敌人的阵地上。
炮声震撼着大地，整个国民党军的据点，立刻被笼罩在浓烈的硝烟浓雾里。
炮弹从战士们头顶上呼啸过去，在敌人的阵地前沿和纵深爆炸了，把鹿砦、地堡炸飞了，一堆堆泥块、门板、木料被炸到高空中，国民党军官兵吓得到处乱窜。
敌阵地上的一个大碉堡被榴弹炮击中后，几具尸体和机关枪同大碉堡的顶盖一起飞上3丈多的高空，顷刻间，敌人三个鼎足形的高大碉堡，全在烟火中崩飞倒坍。
经90分钟激战，李围子守敌1个师部、两个整团全部被歼。
这座原来被国民党军吹嘘成“固若金汤”的据点，已经名副其实地成了一片焦土，村中每隔约10步远，便留下一个炮弹坑，工事9/10被打坍了。
被俘获的国民党军十分狼狈，有的俘虏被炮火吓傻了；不少人的棉衣被弹片撕碎；有的是从被炸塌了的工事里挖出来的，全身是土。一个从死人堆里拉出来的俘虏一面整理着被撕成破片的棉大衣，一面哆哆嗦嗦地说：“打得好惨，打得好惨！”另一个俘虏说：“这个据点被打得好像一只船一样，乱摇晃。”
这次胜利，在国民党军整个防御体系中打开了一个口子，打碎了敌人的外壳，这也是总攻击中第一次大规模的阵地攻坚作战，陈赓指示迅速进行战斗总结，并通报了作战的经验教训。
接着，四纵集中十旅、十三旅、二十二旅的4个团兵力，围歼沈庄守敌十四军八十五师（欠二五五团）。十一旅以火力压制杨围子、杨庄之敌，支援沈庄战斗。
到11月17时，守敌全部覆灭。国民党军第十四军军长熊绶春被击毙，副军长谷炳奎、参谋长梁岱被活捉。
当这批俘虏被押往后方时，路上遇见陈赓司令员，他派人协助熊绶春的卫士，找到熊的尸体，埋在南坪集附近一个土堆上，立个木牌写上“第十四军军长熊绶春之墓”，以便其亲属查找，被俘国民党官兵深受感动。
在东集团编成内实施进攻的中原野战军第九纵队，奉命在友邻协同下，首先攻歼张围子的国民党守军。
张围子守军为国民党军第十军七十五师二二三团，是国民党军十二兵团所谓九大主力之一，胡琏把这个团命名为“青年团”。
守敌所防守的张围子，既可得到双堆集方向炮火支援，又有随伴炮兵，可在前沿构成更强的火制地带。
在发起总攻之前，九纵第七十六、第七十八团已在敌火下进行了3昼夜的近迫作业，挖好3条交通沟并以多条支沟连贯，将攻击出发阵地推抵敌鹿砦有60米至70米处。
6日16时，九纵二十六旅七十八团由张围子东北及正东实施主要突击。由于该团刚从郑州赶到淮海战场，思想准备不足，没有周密组织步炮协同，加之守敌装备和战力较强，攻击未能奏效。指挥作战的秦基伟当即指示二十六旅调整部署，以该旅主力第七十六团加入战斗，重新组织进攻，务求必克。
7日上午，秦基伟赶到前面，和该旅旅长向守志等一起研究，审定攻击部署，调整火力组织，向部队作战斗动员。
二十六旅吸取6日攻击受挫的教训，将交通沟继续前伸至敌前沿45米左右，把平射炮分别抵近敌前沿100米至150米处，并调整加强了突击队力量。
7日18时，七十六团和七十八团再次向张围子守敌发起攻击，炮火准确有效，突击队5分钟即突破前沿，连续打垮敌人8次反扑，后续部队陆续加入战斗，展开逐沟逐堡的激烈争夺。
七十六团三连在战斗中表现了红军连队的高度顽强性，边打边组，最后只剩下九班长郝俊、通信员马绍孔等17名几次负伤的同志，还编成两个突击班，由指导员周福祺率领，拿下了最后一个地堡群。
至8日4时，九纵与友邻部队协同全歼守敌。
这是一场硬仗。九纵俘虏的敌人不多，但国民党军留下的尸体遍地都是，说明了战斗十分残酷。
12月11日，九纵又配合四纵全歼杨围子守敌第十军、第十四军军部及所属残部，13日与十一纵协同攻歼杨子全、杨老五、三棵树守敌第十军七十五师二二四、二二五团各一部及该师工兵营，从敌人防御的东北方向撕开了口子。
12月5日发起总攻后，第十一纵队奉命与第九纵队协同向张围子进攻，十一纵的三十一旅九十一、九十二团分别从张围子的东南和正东方向攻击。
由于守敌工事坚固，火力猛烈，加上攻击部队协同不好，突击力不强，因此当日的攻击未能奏效。
12月7日，在做了充分准备之后，开始了对张围子的再次攻击。
三十一旅为主攻，以九十八团为九十一团预备队，三十二旅九十四团为九十二团的预备队。九十一团从东南，九十二团从正东方向攻击。九纵由东北、正北方向攻击。另以特务团加强豫皖苏独立旅，与九纵另一部，割裂张围子、杨围子敌人的联系。
攻击于17时准时开始。
九十一团在突进时，因步炮协同有误，团长李光前与主攻营长被己方炮火误伤，行动受到影响。但因此时张围子东北与北面已被解放军突破，守敌已经动摇，所以也顺利地突破前沿，分两路沿村南向纵深发展。
九十二团突入后，分两路由东向西发展，与九纵部队对村内之敌形成两面夹击。
经过5个小时的激烈战斗，村南与村西南地堡群中的国民党军全部被肃清，村内的国民党军也被大部歼灭。向杨围子突围逃跑的部分国民党军，被十一纵特务团全部歼灭。
8日4时，战斗胜利结束，张围子被解放军攻占。
十一纵在张围子战斗结束后，又协同九纵1个旅，向杨子全、杨老五、杨四麻子之敌发起攻击。
杨子全、杨老五、杨四麻子均在双堆集东面，距双堆集最近的是杨四麻子，依次由西向东为杨老五、杨子全。杨子全在东南，最为突出。杨子全与杨老五同由国民党军第七十一师1个工兵营防守，杨四麻子守敌为国民党军第七十五师二二四团团部率1个步兵营及两个炮兵连。
战斗前后仅用3小时。
中原野战军第三纵队司令员陈锡联负责统一指挥西集团作战。
陈锡联与中野第一纵队司令员杨勇、华野第十三纵队司令员周志坚分别在电话上交换了意见，他们谈了各自面对的敌情、作战特点、本纵队的作战实力、作战情况等，并对作战协同、相互支援、接合部保障等问题进行了商讨。
12月6日发起总攻，三纵首先以七旅十九团向东马围子，八旅二十二团向西马围子强攻，以二十五团佯攻中马围子。
在攻击不太顺畅的情况下，陈锡联想到了邓小平政委。
他要通邓小平的电话，将近日来纵队作战情况、部队情绪作了汇报。在谈到部队伤亡较大的情况时，陈锡联说：
“几次作战部队伤亡很大，已有近4000人，有的连只剩下5个人，纵队、各旅、各团都把机关、直属分队人员充实到连队，多次进行火线整编，决心不歼灭黄维，誓不罢休，哪怕只剩下最后1个人，也要战斗到底。”
电话中传来邓小平坚定有力的声音：
“锡联，同意你们的决心，就是伤亡再大，我能在江北消灭这两坨敌人（注：指黄维兵团和杜聿明集团），也是值得的。”
听到邓政委的上述指示，陈锡联心情非常激动。他说：“请首长们放心，我们一定严密组织，精心指挥，坚决完成任务！”
随后，陈锡联将邓政委的指示，迅速传达到全体指战员。
在战壕里、指挥所里和后方单位，上下群情激奋，纷纷表示决心，不获全胜，誓不罢休。
12月11日，第三纵队决定倾全力对马围子之敌实施一点多面的攻击。
在西集团编成内实施进攻的还有华东野战军第十三纵队。
第十三纵队的主要任务，是攻歼中周庄一线的国民党守军。
中周庄是国民党军双堆集防御地域西侧的屏障，守卫在那里的是国民党军第八十五军一一○师三二八团及工兵营、辎重营各一部，野炮1个连，共2000余人。
第十三纵队决心以三十八师全部、三十九师（欠1个团）和纵队山炮团联合攻歼该敌。
11月8日黄昏，攻击开始。
战至午夜，攻击部队攻占周庄，全歼守敌。
守卫在后周庄的国民党军惧怕被围歼，于9日中午向平谷堆逃窜，被解放军三十九师炮兵拦击，一一七团从村东北截击，消灭敌300余人，后周庄为解放军占领。
10日黄昏，十三纵队三十八师一一三团在一一四团配合下，向双堆集西侧国民党军最后一个外围据点阎庙子和窑场实施攻击。
在炮火支援下，一一三团二营、三营突破阎庙子西北和北侧敌阵地，向纵深发展。
紧接着，十三纵队集中兵力打垮反扑之敌，攻占窑场，并全歼阎庙子守敌。
至此，解放军西集团攻占了双堆集以西的全部阵地，国民党军第八十五军大部歼灭，黄维的整个防御体系已经瓦解，其核心阵地双堆集完全暴露在解放军直接攻击之下。
中原野战军第六纵队司令员王近山、政委杜义德，统一指挥南集团作战，在该集团编成内有中野第六纵队、华野第七纵队和陕南军区第十二旅。
12月6日17时，南集团在统一时间内发起了对国民党守军外围据点李土楼和小周庄的进攻。
华野七纵十九师刚接防不到3天，战前准备的时间很短，部队向前运动的交通壕和进攻出发阵地来不及构筑好，为密切协同六纵进攻李土楼的战斗，仍然不顾种种困难，按时发起了对小周庄之敌的攻击，全歼了国民党守军5个步兵连，表现了高度的组织纪律性和全局观念。
六纵第十八旅五十二团同陕南第十二旅三十四团担任攻歼李土楼国民党守军的主攻任务。第十八旅五十二团在炮火刚一延伸的瞬间，即迅捷地从村东北角突破敌人的前沿，接着以猛打猛冲的动作，将敌分割。
南线集团总攻第一天首战告捷，剥去了国民党军防御体系中的第一层皮。
李土楼、小周庄战斗后，华野七纵和六纵十七旅按计划分别向大、小王庄和双堆集东北敌野战集团工事构筑多道交通壕和敌前沿的阵地进攻。
大、小王庄和双堆集东北敌野战集团工事系国民党守军防御体系中的核心阵地，也是国民党第十二兵团部所在地小马庄东南方向的屏障，敌必将拼命死守。因此，总前委决定除以华野特纵派一部榴弹炮和山炮支援六纵作战外，还以华野三纵队一部参加攻夺双堆集东北敌野战集团工事的战斗。六纵也以南线集团的预备队第十六旅四十六团加强华野七纵，作为攻夺大、小王庄的预备队。
战斗持续了10个小时，其激烈残酷的程度是空前的，国民党军官兵尸横遍地，堆了一层又一层，解放军的伤亡也很大。
15时30分，解放军二十师以六十团第1营加入战斗。3个团建制的部队由四十六团团长唐明春统一指挥，乘敌坦克撤走的机会立即向敌发起了一次猛烈攻击，彻底打垮了敌人，巩固地占领了大王庄。
此战，使国民党守军精锐丧失殆尽，敌防御核心阵地被撕开一个口子，插入一把尖刀，震撼了国民党军坚守的信心。
小王庄的国民党守军第二十三师师部的两个团，惧怕遭到与大王庄敌人同样的命运，于10日晚8时向我七纵投降。
就这样，解放军各路进攻部队采取昼停夜攻的战法，避开国民党军炮火轰击，以近战、夜战逐日取得进展。