11月12日20时30分，在华野统一指挥下，我9纵协同4、6、8、13纵，展开对黄兵团攻击。我9纵干部战士发扬猛打猛冲的战斗作风，迅速突破敌44军防御。26师包围攻击徐井涯，歼敌162师454团大部，继于13日拂晓前攻占碾庄车站东侧之新庄，歼敌一部，控制了一段铁路基。我25师突破敌150师防御后，继续向前、后板桥攻击，恰遇敌换班不久，我军乘机将敌打乱，歼敌一部，攻占前、后板桥。敌人在猛烈炮火支援下，依托铁路路基和车站月台阵地顽强抵抗，战至13日10时，我25师攻占车站，全部控制了铁路路基。为了直接观察战场情况和利于指挥下一步作战，聂风智率纵队前进指挥所转移至火车站东侧。
14日，聂风智去野司参加作战会议。粟裕代司令员介绍了近日战况，分析敌情的可能变化，指出能不能全歼黄兵团，关键在于能不能阻挡住邱清泉、李弥2个兵团的东援。会上宣布围歼黄兵团作战由谭震林、王建安统一指挥。决定采取先打弱敌，后打强敌，攻其首脑，乱其部署的战法，先歼灭44军和100军。华野主力负责阻截牵制敌邱、李兵团，我9纵改隶山东兵团建制。
14日夜，当聂风智返回指挥所的时候，我25师已攻占圩子西南侧的李庄，歼敌25军40师1个加强营。然而，我26师攻击曹庄却碰到了钉子。曹庄靠近碾庄圩南门，我军打曹庄，就像虎口拔牙。敌集中火力封锁我军接近路线，依托房角、暗堡作拚死抵抗，并可得到圩子内敌兵力、火力的直接支援。我军攻击一再受挫，伤亡很大，打得相当艰苦。战至15日凌晨1时30分，终于打掉了敌人这颗“门牙”。至此，碾庄圩以南外围的全部据点，均被我军扫清。
为了准备对碾庄的攻击，第9纵队调整了攻击部署。因攻击正面缩小，纵队改为三个梯队配置。攻击碾庄圩的任务由25师负责，由该师73团接替曹庄防务，准备担任主攻。
74团仍在李庄及其以东占领攻击出发阵地，担任助攻，75团为师预备队。
碾庄圩，是一个面积不到1平方公里的平原大村寨。圩子四面环水作为外壕，内筑有两道土围子，原敌李弥部第9军已构筑了不少工事。黄百韬决心死守待援后，又加强了工事，树木基本砍光，房子大部拆掉修了工事，连美国人给的载重运输汽车，也成了修工事的特殊材料，人员基本上已转入地下。我军要拿下这样的堡垒，没有相当充分的准备是不行的。为了减少接敌运动中的伤亡，部队加紧向敌方实施迫近挖壕作业，要求将交通壕挖到敌外壕边上。
11月17日17时，在上级统一指挥下，我9纵向敌发起总攻。我攻击部队连续突击4次，均未奏效，部队伤亡较大。
友邻8纵在圩东南方向突击也未成功。经上级同意，停止攻击，继续作好准备。而4纵攻击碾庄圩以北之大牙庄，6纵攻击圩西的前后黄滩，均获成功。
为了弄清楚9纵攻击失利的原因，聂风智亲自去25师找肖镜海师长和部分团营干部了解情况，主要教训还是准备工作不够周密。敌明暗火力点，特别是护圩水壕的情况没有摸清楚，我军前伸的交通壕距水壕还有百来米，突击队在敌火力下暴露时间长，造成伤亡大，火力与突击脱节。
73团的同志还介绍了一个情况：18日凌晨，有一个战士叫李方欣，曾经淌水摸过了水壕，还从对岸抓了一把枯草回来，证明水壕可以徒涉。同去侦察的3人，2个牺牲，小李伏在水壕里1个多小时，身子都冻麻木了，待敌人放松了警惕后才爬了回来，这一情况对定下决心提供了重要依据，也说明要弄清一个情况并不容易。开始询问群众，说是水有一人多深；又问俘虏，同样说水深得很，根本过不去。其实他们都没有下过水，并不了解真实情况。
情况弄清了，问题找准了，9纵对症下药，采取了措施：
一是继续近迫作业，把交通壕延伸到敌圩外水壕的边上去；
二是通过外壕以徒涉为主，并准备浮桥、梯子，后续部队可从桥上通过，但要等扫清障碍和暗堡火力点之后；三是搞好步炮协同，要求炮火切实压制敌人，突击分队要在炮火延伸的同时，紧接着炮弹的硝烟，冲上围子，扔手榴弹炸敌人，使敌人根本来不及还手。
一个白天过去了，又一个夜晚降临了。在整个徐东阻击战中，在一些村落阵地内，我军与敌人进行着反复的拉锯战。白天暂时放弃，夜晚又把敌人逐出。在夜里，一会是炮声、枪声、喊杀声，一会又陷入令人难耐的沉寂。
邱清泉见从正面进攻不能奏效，就亲自指挥主力第74军向我土山镇阵地进攻，在张楼、陈庄附近和北进的我华东野战军三个纵队展开激战，很快便陷入了重围，邱清泉指挥第74军拼死突围，又把预备队和坦克、大炮全都搬上去，才保住了第74军没被全歼。
黄百韬连电告急。杜聿明在南京统帅部的压力下，不得不对邱清泉、李弥兵团下了死命令，两天之内务必与黄百韬兵团会师。
东援之军在进占我军警戒线阵地后，在强大炮火、飞机、坦克支援下，全线展开进攻。晚上，国民党军统计了一下当天的进度，发现蒋军务部队进展少的3、4公里，多的6、7公里，按这个进度计算，估计一周内可能打到碾庄圩附近，就有希望解救出黄百韬兵团。杜聿明感到十分乐观，向刘峙报告后，刘峙听了也很高兴。
为了鼓舞士气，刘峙又亲自到苑山指挥视察。15日夜，国民党国防部根据空军侦察的情况，发现解放军大部辎重向北行动，由此判断出解放军有撤退的征候，一再催令“剿总”下达追击命令，但刘峙认为解放军围攻黄百韬兵团志在必得，没有把吃到嘴里的肥肉再吐出来的道理。他一面请求空军增援碾庄圩，一面仍是督促邱清泉、李弥兵团猛攻，采取“火球战术”攻击，再次亲临前线。
华东野战军首长为诱敌东进，以便侧击兵团向北断敌后路，决定以10纵、7纵、11纵稍向东撤，侧击兵团也稍向后缩。
17日在徐东一线阻击敌人的华东野战军各部，在基本完成阻击邱、李兵团东援，保证我包围碾庄圩部队有充足时间消灭黄百韬兵团的前提下，主动撤到大许家一线，以便于各部穿插、分割，形成新的包围。在10纵撤出原来的阻击战地后，邱清泉兵团和李弥兵团立即向东推进。
18日，国民党空军侦察到解放军已分路撤退。这时，邱、李兵团离碾庄圩只有10多公里了，他们立即向徐州“剿总”告捷，刘峙接到消息，误以为我军有计划的后缩为“总退却”，下令邱、李兵团向前追击，他一方面向南京告捷，一方面要政工处通知全市燃放鞭炮庆祝，张贴“徐州大捷”、“庆祝徐州保卫战胜利”之类的标语，对“徐州大捷”开始了大肆宣传。刘峙为了宣传他的“战果”，还通电各省告捷，并召开新闻发布会。一时间标语张贴得满街都是，徐州城内到处是庆祝“大捷”和“胜利”喧嚣声。他还洋洋得意地到处讲，这回可对得起“国人”了。
******也信以为真，还专门派国民党中央宣传部部长张道藩率慰问团开赴徐州前线，并携带大批勋章、奖章和白银等慰问品来慰问，组织力量进行宣传。******心里稍稍宽慰了一些，马上下令让部队沿运河线追击，当天中午，国民党第2兵团和第13兵团进至大许家南北之线，遭到顽强抵抗，才知道解放军并没退却，黄百韬的第7兵团仍在被围之中。
新闻发布会上，有位记者问：“这样的大捷，黄百韬将军哪里去了？”杜聿明冷静地回答：“黄百韬将军回家休息去了。”其实此时黄百韬被围困在碾庄寸步难移，其所谓的“大捷”乃是自欺欺人的军情。
就在这时，碾庄圩外围的据点却正一个一个地在消失。
西洋镜被戳穿，刘峙招来******的一顿痛骂。
20日上午，******指派郭汝瑰和空军副总司令王叔铭一同去徐州与刘峙、杜聿明等商量突破大许家阵地的战法，商决先集中空军轰炸狭窄地区，然后陆军以炮火和战车支援步兵以多梯队向纵深突击，并向两侧卷击。如一日能有5公里的进展，以后就可以继续突破，如不能实现就向右包围。
郭汝瑰和王叔铭到徐州后，立即会见了刘峙和杜聿明，但刘峙却说出另一番话来。刘峙对郭汝瑰说他有几条意见：
（一）请总统亲临指挥；
（二）速运两个军增援；
（三）请总统下决心以全力东进，对徐州安全可置不问。
郭汝瑰沉思不语，他在想，不知是刘峙想推脱责任故意说漂亮话呢，还是想借此机会让杜聿明上前线去，他自己还是离开徐州去蚌埠保命要紧。
碾庄圩从高处望去，四周原野无垠，都是一片片的开阔地带。所谓的“大捷”，黄百韬最清楚不过，他已经被死死地围在这里了，像一头久困的野兽，黄百韬不想坐以待毙，但却又束手无策。
尽管邱清泉、李弥兵团与黄百韬兵团相距不到20公里，也是无法会合，前去解围的部队和固守待援的黄百韬兵团只能炮声相闻，但谁也救不了谁。被杜聿明吹成“王牌”中的“王牌”的第5兵团也无可奈何。黄百韬并没有指望他们会来救自己，在要打要留之间心烦意乱，拿不出一个好主意。
黄百韬只好召集各军军长开会商讨对策，在走留之间做出选择。结果大多数军长主张突围，但这时他又接到国防部电令，让他击退“****”包围后再行撤退。黄百韬陷入沉思，现在各军残破，第44军战斗力差也不是不知道，只有64军还可以一拼，但也不是长久之计。想来想去，他还是只有固守待援一条路可走。他只好安慰众人说，邱清泉、李弥两兵团不日就会来增援我们，杜聿明也是支持我们的，我们很快就会脱离困境。其实他是为了维持大局，不得不采取自欺欺人的说法。
黄百韬并非庸才，既然战局如此，为了防范我军进攻，他已组织人马进行了战前准备。在运河以西，陇海路南北方圆10多公里的地带，原曾是李弥第13兵团的防区。每一个村落都筑有高出地面2、3米的土围子，土围子外面挖有10多米深、10至15米宽的水壕，而且地堡、暗堡遍布，构成了一个比较完整的防御阵地。村内交通壕、堑壕相通，村村相连。黄百韬又将他的第25、44、64、100军分别置于以碾庄圩为中心的东、西、南、北四周村落进行防守。村庄外围都是开阔地，易守难攻就在于此。
从11日以来，接连3天，由于攻坚器材准备不足，炮火跟不上，我军攻击进展缓慢，伤亡也很大。
黄百韬见此情形，一时间信心大增，他在给******的电文里按捺不住的兴奋之情，讲道：“****想吃掉我，没那么容易。”
在这种情况下，我华东野战军立即召开了紧急作战会议，重新调整了部署。华东野战军根据战场情况，指示各纵队采取夜间迫近作业，隐蔽接近，集中兵力，逐点争夺，逐个攻取。
在我军改变打法后，碾庄圩的外围阵地一时间险象环生。黄百韬只得又向南京求援，顾祝同心里也极为紧张，连忙派出空军进行轰炸。从这以后，每当碾庄圩地面阵地遇到紧急情况，空军就立即组织轰炸。就是靠着这个办法，使我军攻势进展缓慢。
只要战场情况稍稍有些好转。南京国民党统帅部和徐州“剿总”的刘峙就大吹大擂，又开始宣传“碾庄圩大捷”了，说“****”的“人海战术”也无济于事，碾庄圩阵前伏尸遍野，血流成河，现“****”已经全线溃退。
为此，南京国防部的何应钦马上派飞机给黄百韬送去了勋章，顾祝同并亲自乘飞机到碾庄圩上空和黄百韬对话，给他空投嘉奖令。国民党在《中央日报》和《扫荡日报》上铺天盖地地对黄百韬进行宣传。一方面是如雪片般的贺电和电话，一方面是各部队纷至沓来的请求补充粮秣弹药的电报，许多阵地都出现了险情。在我军的连续攻击之下，黄百韬疲于应付，日见憔悴。