对于被解放军攻占的阵地，黄维则连夜组织反击，以坦克、装甲车开路，成团成营地出击，并平毁解放军交通壕。
双方展开的，是一场以阵地对阵地的对攻作战。
黄维兵团由于被困多日，衣食弹药供给不足，士气本已相当低落。但由于其战场纪律极严，官兵们被迫死守。
一位营长丢了阵地，当场被枪决。
第二天，1个团换上去，激战数日伤亡殆尽，团长仅带十余人据房死守，枪毁弹尽方突围逃回，也被处以死刑。
慑于战场纪律严酷，黄维兵团大部分部队顽强抵抗，双方形成对峙胶着局面。
激战至12月10日，解放军将黄维兵团压缩在南北5公里、东西15公里的狭小区域内。
黄维兵团在解放军的连续猛攻之下，猥集一团，弹粮俱缺，伤亡枕藉。
赖以支撑危局的第十八军也伤亡三分之一，能用的战车仅剩5辆。
但黄维仍决心“坚持下去，打一天算一天”，并向蒋介石表示，“自当率全体官兵决与阵地共存亡，以索取更大代价，使南北兵团作战有力”。
为了解救黄维兵团，刘峙严令李延年兵团北进。另外，蒋介石除已从白崇禧集团抽调宋希濂兵团第二十、第二十八军可于12月中旬到达蚌埠地区外，还将第二军（全军4万人，美式装备）集结沙市，待船运武汉、南京，增援徐蚌战场。
由于缺粮少弹，黄维派兵团副司令胡琏飞抵南京，催要粮弹补给。
胡琏到南京后向蒋介石建议说：第十二兵团第十、第十八军，都是“党国中坚”，其中许多军官“战斗经验丰富，对党国忠心耿耿，实属有用之材，如果一旦被共军围困聚歼，虽使共军付出数倍之代价，但党国将损失一大批干部，与其如此坐而待毙，不如令其突围”。
蒋介石听后，感觉很有道理，即令胡琏飞返双堆集，协助“黄维毅然突围”。
12月11日，蒋介石、顾祝同、王叔铭等秘密制定了一个“亥真1700计划”，即由空军向双堆集解放军阵地投掷代号为“甲弹”的糜烂性毒瓦斯炸弹和代号为“乙弹”的窒息毒瓦斯炸弹，企图打开缺口并阻止解放军追击，掩护黄维兵团突围。
黄维、胡琏及兵团正副参谋长、第三处处长等极少数人根据“亥真1700计划”，又秘密拟定了在空军大规模使用“甲弹”、“乙弹”掩护下突围的实施计划，只待空军确定轰炸时间即可执行。
其间，南京国防部已向第十二兵团陆续空投下催泪性瓦斯投掷弹和催泪性迫击炮弹，黄维悉数分配给了第十八军。
1948年12月12日，刘伯承、陈毅联名发布了《促黄维立即投降书》，指出黄维及其部属“再作绝望的抵抗，不但没有丝毫出路，只能在人民解放军的强烈炮火下完全毁灭”。要求黄维“应爱惜部属的生命，立即放下武器，不让你的官兵作无谓的牺牲”。
黄维及其副司令官胡琏等人却毫不顾惜其官兵的生命，竟然按照蒋介石的密令，妄图灭绝人性地使用化学武器，掩护其向蚌埠突围。
12月13日，天气晴朗，黄维请求执行“亥真1700计划”。
空军大量出动，在双堆集方向投弹100吨以上，蒋介石还令空军投糜烂性毒气弹。
但是，毒气弹也挽救不了国民党军灭亡的命运。
为最后解决黄维兵团，总前委于12月13日又调整攻击部署，以南集团为主攻，东集团和西集团配合，并从华东野战军抽调第三、第十三纵队加入南集团作战。
陈士榘
南集团改由华东野战军参谋长陈士榘指挥。
12月13日晚，人民解放军总攻开始。
经一天激战，中原第六纵队和华东第七纵队各一部攻占双堆集东北敌空投场南端集团阵地，中原第四、第九纵队攻克杨老五庄、杨自全庄，华东第七纵队主力攻克双堆集以南尖谷堆阵地。
这样，双堆集及黄兵团核心阵地全部孤立和暴露。
15日12时30分，黄维报告顾祝同，“弟只好断然自行行动，听天由命也。”他命令残部分散突围。
解放军很快发觉了敌之突围企图，马上调整部署，予以围歼。
突围之敌当日24时左右即被全歼。
至15日晚12时，黄维兵团4个军11个整师共10万余人，除兵团副司令官胡琏、副军长谷炳奎等少数人逃脱外，全部被消灭。兵团司令官黄维，副司令兼第八十五军军长吴绍周，第十军军长覃道善，第十八军军长杨伯涛、副军长王岳及4个师长被俘虏。
中原野战军伤亡3万余人。
至此，中央军委与总前委确定的“吃一个，挟一个，看一个”的方针，要吃的一个已经完全吃下去了。随后将要进行的，是把挟住的一个（杜聿明集团）再吃下去。
第二天拂晓，双堆集迎来了在好多天以来第一个炮声沉寂的清晨。
解放军打扫战场的部队，开始进行清理。
刚刚激战过的土地还在发烫，整个村庄变成一片废墟，所有的房屋都被拆掉了，没有一间房子是有顶的。
村庄里面被糟踏得似狼窝一样，村外的野战工事却构筑得非常整齐，在纵横交错的工事里，战士们着手清理国民党军遗弃的各种武器。
村边的树木全被砍光了，空气也遭到严重的污染，连井水都散发着难闻的血腥味。
密密麻麻的炮弹坑像蜂窝，硝烟还未散尽的土地上，横七竖八的尽是已经开始发臭的国民党官兵的尸体。
在第十二兵团部的工事里面，到处堆满了军官的衣帽、证件、公文卷宗，以及形形色色的日用品，显示国民党军溃逃时的混乱和狼狈。
在双堆集东南的尖谷堆阵地上，战士们拆开了一座工事，里面竟全部是用国民党士兵的死尸垒成的。
国民党军还用死人和伤兵垫桥脚。在一座这样的桥下面，战士们拖出来一个活着的敌人的伤兵。这个伤兵挤在死人中间、对从桥上通过的敌人发出绝望的低微的呼叫：“我还没有死，把我拉出来！”但是没一个人理他，直到解放军打了进来，他的濒死的喊叫，才得到了回答。
在那些东倒西歪的尸体旁边，躺着无数国民党军遗弃的伤兵。在东西马庄和双堆集之间方圆数十亩地的平坝上，有一个国民党军的野外露天伤兵场，几万名死人、半死不活的重彩号和轻伤兵，都被遗弃在这里。许多人已经几天没有吃饭，伤痛和饥饿折磨着他们，一片惨痛呻吟哭叫声在田野里回荡。
当伤兵们看到解放军的炊事员给他们送来饭菜的时候，许多人感动得痛哭失声，当战士们拿着碗给伤兵喂饭时，有些伤兵感激得一边哭泣一边趴在地下叩头。
黄维兵团崩溃后，兵团司令黄维混入了俘虏中，他隐姓埋名，企图蒙混过关，但终被解放军识破。
当时参加俘虏甄别工作的宋禹，讲述了识别出黄维富有戏剧性的事件。
那时，宋禹在旅部任敌工科科长，负责甄别工作。一见到黄维，他就盯上了。
黄维是被特务营在野地里捉到的，他个子高大，圆圆白脸，留着短须，右边脸上还有颗黑痣，走路，说话，绅士味十足，虽然身穿军装，却有知识界的风度，当时很难判断出他的职务，特务营教导员估计起码是个师长。
在审问时，宋禹拿出登记簿坐在黄维的对面。
只见登记簿上写着：“方正馨，弋阳人，八十五军军部上尉司书。”
宋禹指着登记簿问：“这上面写的确实吗？”
黄维点点头，一声没吭。
“什么时候当兵的？”
“今年8月。”
“入伍以前干什么？”
“民国17年当小学教员。”黄维回答得十分小心。
“还干过什么事？”
“干过……”黄维一时答不上来了，显得有点慌张，抬头见宋禹正紧紧地盯着他，赶忙回答说：
“我当过6年教员，1年科员，以后就出来当兵。”
宋禹心里暗暗一算，就算他民国17年当教员，干了7年才到民国24年，现在是民国37年，宋禹忍不住笑了。
黄维见宋禹笑，更慌了。
宋禹对他说，“你扯谎的手段不高明啊，你还有13年历史怎么过的？”
他懊丧地低下头，用拳头捶着自己的脑袋，嘴里咕噜着：
“我昏头了，我昏头了！”
宋禹继续问：
“你到底是什么职务，什么军衔。”
“上尉司书。”黄维特别害怕提到个“官”字。
“1个月多少饷？”
“70多。”
“多多少？”
“多……”黄维一下被宋禹问住了。怔了一会儿，他用两只手捶着脑袋说：
“这一仗真把我打糊涂了，打糊涂了。”
宋禹想，看来，要从他自己口中问出什么东西来，是不容易的。越是如此，越说明此人的重要。于是，宋禹吩咐哨兵，注意他在晚上的动静。
几十个俘虏军官睡在一个大屋子里。半夜，其他人都睡着了，只有这个自称是“上尉司书”的方正馨翻天覆地睡不着，压得稻草哗哗作响。
哨兵忽然听见睡在方正馨旁边的唐铁冰发出极低的声音问他：“你怎么也被俘了？”
“不要多说话！”方正馨轻轻警告了一声。
唐铁冰在方正馨面前倒很听话，以后再也听不到声音了。
早晨，哨兵向宋禹汇报后，宋禹把唐铁冰找来了，可是他不承认昨晚说的话，硬说自己根本不认识睡在旁边的那个人。
宋禹厉声说：“你还要加重自己的罪吗？你替别人隐瞒身份，对你对他都没有好处。你还是多替自己想想吧！坦白了可以减罪。”
他犹豫了好一阵，紧皱着双眉。宋禹看得出，他脑子里在斗争。
为了叫他再作一番考虑，于是，宋禹就把他移到一个单人屋子里。
这时，旅首长吩咐把这批军官送到纵队部去，那里官衔高的俘虏多，更容易认出来，宋禹恰好要向纵队部上缴的战利品，决定也让这些俘虏们捎去。
方正馨背了个留声机，提了一盒唱片，沿途虽然休息了好几次，可是他还是一再恳求休息，宋禹见他满头大汗，确实不像装出来的，就答应了他的要求。
只见方正馨把留声机往地上一放，坐在田埂上，无限感叹地“唉……”了一声。
纵队司令部驻地外面有个大院子，堆了许多麦秸，宋禹叫战俘们就在这里休息，自己先进屋去。
当宋禹正向纵队政治部敌工科燕科长汇报时，一个哨兵跑来找宋禹，说一个俘虏团长要报告重要情况。
宋禹走出屋，迎面走来的是唐铁冰，他压低了声音说。
“长官，我有重要情况禀告。”
“说吧！”
他望了望周围，还不放心，鬼鬼祟祟地走到一堆麦秸后面，咽了口唾沫说：“长官，我来坦白……”他吞吞吐吐地说话，还不时用眼睛向俘虏堆里瞟了瞟。
“你们都是俘虏，是俘虏就无所谓上司下属，你大胆说好了。”宋禹鼓励他。
可是，他张了几下嘴，还是顾虑重重地垂下脑袋。
宋禹生气地说：“你不坦白，找我来做什么？”
“不，不，长官，我坦白，我坦白。请长官宽大，免我死罪。”他急忙抬起头来吸了口气，好像用了浑身的劲：“长官，你不是问睡在我旁边的那个人吗？”
“他当然不是个上尉司书。”宋禹说。
“长官明鉴，长官明鉴，他确实不止上尉。”他缩了缩脖子。
宋禹紧逼一句：“快说！他到底是谁？”
“他，他是我们，我们的……”话到嘴边又含糊其辞地说：“好像……是我们的兵团司令。”
因为唐铁冰加上了“好像”两个字，因此燕科长和宋禹又把押在纵队部的国民党军第十八军副军长王元直押来作证。
王元直吃得肥头大耳，走起路来摇摇晃晃。
燕科长见他来了，开门见山地问：“你认识黄维吗？”
部属怎么能不认识“顶头上司”，王元直只好点头承认。
既然承认了，他就干脆讨好燕科长，滔滔不绝对他讲起黄维的形态和特点。他说的黄维模样，和那个自称是“上尉司书”的方正馨完全一样。
于是，宋禹把“上尉司书”叫进屋来。
黄维进屋后看到王元直，神色一惊，还没等燕科长发问，就自作聪明地先开口了：
“这里的人我一个也不认识，他们也不认识我。”
“不是叫你来认什么人的！”宋禹说。
王元直瞥见新来的俘虏，两眼一怔。
燕科长两眼盯住“方正馨”，问：“你的真名实姓到底是什么？”
“方正馨”垂下脑袋，半天没吭声。
“你到底是什么人？”
“我都说过了，你们不信可以考查。”声音像蚊子一样细。
最后，黄维被问急了，居然“背水一战”，说：“你们不信，我可以具结。”随即，在纸上写下“如姓名职务不符，愿受枪毙”的保证书，并且以攻为守地说：“我还能胡说八道吗？我还能出卖姓名吗？”
把“方正馨”带下去以后，燕科长问王元直：“他是不是黄维？”
“有点像，可能是他。”他惴惴不安地回答。
燕宋二人不打算再找俘虏军官来对证了，他们准备找解放过来的，已提高觉悟的战士。
于是，向各部队发出通知，让亲眼见过黄维的人，到旅部来一趟。
果然，在特务营找到了曾给黄维当过十几年马夫的饲养员李永和，还找到黄维过去的一个汽车夫。
黄维面对着这两位曾和他多年在一起的人，绝望地低声说：
“我都具过结了，还有什么好说的。”
燕科长一听，知道他是怕按照他的保证书判罪，就直截爽快地说：
“我们从来就没有相信过你的保证，我们坚决执行我党的政策，老实承认了，归根到底对你有好处。”
为了让他宽心，当面便把他亲笔写的保证书撕碎了。
他又惊又喜地望着散落在地上的碎纸，垂下眼皮，像是极度疲惫、却又卸下了重负似的说：“我是黄维！”
当黄伯韬被歼，黄维兵团陷入重围之后，徐州敌军已深感徐州难保，恐慌不安。今日得以西撤，行动极其迅速，恨不得一步逃出徐州战场，个个争先恐后，狼狈逃命。
事先规定的撤退计划、路线、序列早已无用了，队伍没有出徐州城就乱作一团，不论是部队还是机关，许多单位顾不得集合队伍，拔脚就走。国民党徐州“剿总”军官教训团，共13个队只集合起5个就仓皇逃跑。不少国民党军官纷纷准备便衣，以便在适当时机逃走。李弥兵团九军1个团长公开命令部下军官，每人准备一套士兵衣服，以防“不测”。
根据撤退计划，每个兵团都应留有掩护部队一部，坚持到1日黄昏始能撤离战场，实际上，大部分在30日午前已经跑光，1日内全部撤离徐州。
在撤退过程中，行动计划和序列全部打乱。哪条路近，哪条路好走，大家就从哪条路夺路而行。30万大军，以及车辆、辎重、骡马，还有一路抢掠来的鸡鸭牛羊等，都拥进了徐（州）永（城）公路，黑压压一片，丢盔弃甲，溃不成军。
从徐州开出的最后一批近百辆汽车，被我军追上，不到20分钟全部为我军缴获。四十一军炮营原有12门小炮，逃了一天就丢了9门。四十七军军部4门野炮，在逃跑途中全部丢光。八军一七○师特务连，士兵全部跑光，最后只剩下1个连长和连副，遇前边一辆弹药车爆炸，立即引起后边队伍混乱，成批士兵逃跑。
这股逃敌，从徐州逃跑时，就裹胁徐州及铜山中、小学校师生万余名，一路之上，更是抢掠百姓，鸡鸭不留。邱清泉兵团五军，路经肖县大吴集北一个村庄时，捉走男女青年200多名，抢走牛、驴200多头。路过李酒店时，又抢走牛、驴40多头，鸡500余只，粮2000斤，至于群众衣物钱财更是不计其数，他们逃到哪里，哪里的人民就遭殃。
12月1日，杜聿明集团全部逃出徐州，华野十二纵和一纵侦察营当即占领徐州。
山东兵团领导得知徐州敌人西撤的报告后，一方面向华野司令部和中央军委汇报；另一方面立即部署兵力追击逃敌，同时命令已由山东南下进至淮海战场的渤海纵队，由徐州以东大许家、宿羊山一带，迅速逼近占领徐州；电告中共中央华东局派员到徐州进行接管。
渤海纵队接到命令后，立即行动，先头部队及七师于1日晚10点进入徐州，从此，徐州这个古老的具有重要战略地位的城市回到了人民的手中。