正当解放军从四面八方向杜聿明集团包抄过来时，12月3日上午，准备继续向永城方向撤退的杜聿明，突然接到蒋介石空投的手令，内称：“据空军报告，濉溪口之敌大部向永城流窜，弟部本日仍向永城前进，如此行动，坐视黄维兵团消灭，我们将要亡国灭种。望弟迅速令各兵团停止向永城前进，转向濉溪口攻击前进，协同由蚌埠北进之李延年兵团南北夹击，以解黄维之围。”杜看完蒋的手令后，心都凉了半截。他不明白蒋介石为什么又改变主意，违背当初他提出的“撤即不能打，打即不能撤”的允诺，朝令夕改，使他无所适从。他心里非常矛盾，最初想以“将在外，君命有所不受”为由，按原计划继续向永城方向撤退。但转念一想，如不解黄维之围，蒋必将整个失败的责任归罪于他。于是，他下令部队暂时停止前进，就地待命，然后把各兵团司令官召来，出示了蒋的手令后说：“大家考虑一下，我们敢于集体向总统负责，就继续向永城方向撤退；不敢负责就打，这是军之生死之地，存亡之道，不可不慎重。”众将看了蒋的手令后，都认为蒋的语气非常严厉，如不遵命行事，黄维兵团一旦被歼，他们每人都难脱干系。最后，他们决定服从蒋的命令，停止撤退，前去解救黄维兵团。
12月4日，杜聿明采取“三面掩护，一面攻击，逐次跃进”的战术，命令邱清泉兵团担任中路主攻，李弥、孙元良兵团担任左右掩护，向濉溪口方向发起攻击。此时，蒋介石惟恐杜聿明不照他的命令去解救黄维兵团，以不再空投粮弹相要挟。邱清泉看了蒋发来的电报后，气得破口大骂：“国防部混蛋，老头子也糊涂，没有粮弹，几十万大军如何能打仗呢？”。杜聿明也无可奈何，只好命令邱清泉赶快发起进攻。邱清泉兵团所辖的第5、第12、第70、第74军都是中央军嫡系部队，其中第5军是国军“五大主力”惟一仅存的“王牌军”。该军是杜聿明苦心经营和赖以起家的机械化新军，抗战期间曾在昆仑关大败日军“钢军”板垣第5师团，在远征缅甸的战斗中屡建战功，有相当强的战力。邱清泉仗恃着自己的部队兵员充足，训练有素，坚甲利器，在李弥、孙元良兵团左右护卫下，向正面解放军阵地发起猛攻。华东野战军各纵队则采取三面攻击，一面堵击的战法，向敌压缩，于当日将杜聿明所部3个兵团合围于永城东北的陈官庄、清龙集、李石林地区。杜聿明没救成黄维，自己也被包围了，陷入走也走不了，打也打不下去的困境。
至此，解放军中原野战军和华东野战从11月23日开始，经过18天激战，分别在双堆集和陈官庄包围了黄维兵团和杜聿明集团，并拟对黄维兵团发起最后的总攻。陈毅打电话给粟裕，高兴地说：“我们这里正在收拾黄维这个冤家。你们北边要把杜聿明抓住，南边要把李（延年）、刘（汝明）看好。”刘伯承将此形象地比喻为“吃一个（黄维兵团），挟一个（杜聿明集团），看一个（李延年、刘汝明兵团）。” 邱清泉兵团在坦克、大炮支援和飞机掩护下，连续猛攻两天，却未能冲破解放军的防御阵地。邱清泉一下泄了气。12月6日，邱清泉拉着孙元良、李弥去见杜聿明，说：“目前林彪已率大军南下，我们进攻迟缓，掩护阵地又处处被共军突破，再战下去前途很不乐观，现在突围还来得及。古人云‘将在外，君命有所不受。’目前只有请总座独断专行才可以挽救大军。”众人一再鼓动杜聿明放弃向濉溪进攻的计划，向永城方向突围。杜聿明冷笑一声，说：“‘将在外，君命有所不受。’说得好听！三天前大家要是同意这句话的话，还可以全师而归，也算对得起老头子了，今天恐怕晚了。敌人重重包围，谁能打出一条血路？否则的话，重武器丢光，分头突围，既违抗命令，又不能全师，我们还有何面目去见老头子呢？”然而，当天孙元良一回到第16兵团部，就下令拆除了电话线，切断了与杜聿明指挥部的联系，自行率第16兵团突围。结果，除孙元良一个人化装穿便衣侥幸逃出包围圈外，第16兵团大部都被解放军歼灭，第41军军长胡临聪，第47军军长汪匣锋等被俘。第16兵团报销后，杜聿明即下令第2兵团和第13兵团就地死守，等待蒋介石想法救援。
12月15日， 黄维兵团被解放军全歼后，陷入重围的杜聿明集团还只剩下邱清泉第2兵团第5、第12、第70、第72军和第74军，李弥第13兵团还有第8、第9、第115军，总共8个军，被解放军团团包围在以陈官庄为中心的南北宽5公里，东西长10公里的狭小地区，孤立无援。
此时，华北战场已发起平津战役，为了不让平津的傅作义集团从海路南下，毛泽东关照战争全局，决定对杜聿明集团围而不攻。电示淮海前线总前委：“你们围歼杜聿明集团的各纵队可以用10天左右时间休息调整，只作防御，不作攻击”，遵此指示，华野包围杜聿明集团的各纵队，12月于16日起转入战地休整。
12月20日开始，战区风雪交加，气温骤降，空运补给时断时续。杜聿明集团陷入外无援兵，内缺粮弹的绝境，大批士兵冻饿而死，逃跑投降者日益增多。杜聿明知道再困守下去，只有死路一条。经过冥思苦想后，向蒋介石呈献了上、中、下三条计策，供其选泽。上策是集中武汉、西安的兵力与解放军决一死战，中策是持久固守，以争取政治上的时间（和谈），下策是冒险突围。但蒋介石选择的是下策，于1949年1月3日下令杜聿明率第2兵团和第13兵团突围。并指示“希望援兵是不可能的，一定要按命令迅速突围。”杜聿明别无选择，只有按蒋介石的命令，着手部署突围，决定将坦克、炮兵集中使用，第13兵团在右，第2兵团在左，并肩向西南突围。规定的突围时间定为1月9日，届时蒋介石会派飞机向解放军阵地施防毒气，掩护杜聿明突围。然而，不等杜聿明开始突围，解放军就抢先发起了总攻。
1949年1月2日，粟裕发布了攻击杜聿明集团的总攻命令：以第1、第9、第12纵队组成北集团，由山东兵团司令员谭震林指挥，向陈官庄以北地区进攻；以第2、第8、第11纵队组成南集团，由苏北兵团司令员韦国清指挥，向陈官庄以南地区进攻；以第3、第4、第10、渤海纵队及翼鲁豫军区独立第1、第3旅组成东集团，由第10纵队司令员宋时轮指挥，向陈官庄以东地区进攻；以第6、第7、第13、鲁中南、两广纵队为外围拦截部队，准备歼灭可能突围之敌。并规定1月6日16时统一发起总攻。
1月6日15时30分，华野集中全军各种火炮同时向敌阵猛烈轰击。在1小时炮火准备后，三个攻击集团从各方向对杜聿明集团发起冲击。7日，李弥兵团大部被歼，残部撤逃往邱清泉兵团防区。9日晚，华野各路大军在夜色中继续猛攻。邱清泉、李弥执意突围，此时部队已陷于混乱，无法控制，杜聿明遂决定各部队分头突围。杜聿明带着副官、卫士10余人单独行动，凌晨时同他的副官和卫士一道被俘。邱清泉带着随从副官从陈庄逃出来后，神经失常，到处乱窜，高声大叫“共产党来了！共产党来了！”天亮时在张庙堂被一阵乱枪打死。只有李弥化装逃了出去。至10日下午16时，杜聿明集团全部被歼灭。震惊中外的淮海战役宣告结束。
整个淮海战役历时66天，解放军以伤亡13.4万余人的代价，歼灭国军5个兵团、22个军、56个师，共计55.5万余人，其中包括国军“王牌军”第5军和第18军，“五大主力”至此全部覆没（新1军、新6军在东北被歼灭，整编第74师在孟良崮被歼灭）。此后，共产党控制了长江中、下游以北广大地区，国民党政府首都南京及上海、武汉等城市已处于解放军的兵锋之下。 淮海战役，解防军在兵力数量和武器装备上均处劣势，但解放军统帅部表现了高超的战略指导和战役指挥艺术，果断决策，精心谋划，迅速判明敌情，最终以60万装备落后的兵力战胜了80万装备精良的国军，创造了中国战争史上的奇迹。国军统帅部则在战略指导和作战指挥上失误，犹豫不决，不明敌情，朝令夕改，如邱清泉所说的“国防部混蛋，老头子糊涂。”最终导致了军事上的惨败。
远在千里之外的斯大林听闻解放军淮海大胜的消息后，曾在记事本写道：“60万战胜80万，奇迹，真是奇迹！”后来，斯大林又对即将出任驻华大使的尤金说：“淮海战役打得好，是中国战争史上的奇迹，也是世界战争史上少见的。这个战役值得我们学习研究。”