為配合華野作戰，中野主力于11日夜間向津浦線上的戰略要地宿縣地區開進，發起徐蚌作戰。15日晚對宿縣發起總攻，16日凌晨占領宿縣，全殲守敵1.2萬人。至此，中野和華野一部密切配合，控制了徐州和蚌埠之間的100公里鐵路，切斷了徐蚌線，完成了對徐州的戰略包圍，保障了圍殲黃伯韜兵團的作戰。

黃伯韜兵團被緊緊包圍之后，敵人方才看清了我軍的真正意圖。蔣介石急令邱清泉、李彌兵團由徐州東援，限于20日與黃伯韜會師；令蚌埠的第六兵團（兵團司令李延年）和第八兵團（兵團司令劉汝明）合力向北增援；嚴令黃維兵團急速東進參戰。

12日開始，徐州東援之敵邱、李兵團，以12個師的強大兵力，在大量飛機和坦克的掩護下，沿隴海鐵路及兩側向我軍陣地發起瘋狂地攻擊。擔任正面阻援的華野三個縱隊，以血肉之軀抵擋敵人的強大火力。至22日，邱、李兵團連續猛攻10天，傷亡萬余人，損失坦克34輛，前進總共不到20公里，眼見黃伯韜兵團在不遠處被殲而無可奈何！

由蚌埠方向北進的劉、李兵團，被我中野一部阻于固鎮以北任橋地區，4天只前進了15公里。我中野主力在攻占宿縣后，即以第一縱隊開赴蒙城，與阻滯黃維兵團的第二、第六縱隊會合，堅決阻擊黃維兵團東進。直到黃伯韜兵團被全殲時，黃維兵團仍被我軍阻于澮河上游的趙集地區無法前進。

從12日起，在兄弟部隊奮勇阻擊敵各路援軍的同時，華野圍殲黃伯韜兵團的五個縱隊，從四面向敵人展開猛攻。敵人憑借武器裝備上的優勢，在空軍的掩護下拼命頑抗。

16日晚，寒風陣陣，天地間一片漆黑，我軍以黑暗為掩護，集中優勢兵力和火力，向敵人陣地發起猛烈攻擊。一時間，萬炮齊鳴，烈焰沖天，我軍將士前赴后繼，向敵人陣地勇敢沖擊。進入村落后又與敵人展開逐屋爭奪，戰斗進行得相當激烈。

到18日，敵人終于抵擋不住我軍的進攻，敵一OO、四十四軍被我軍全殲，一OO軍副軍長楊詩云、四十四軍軍長王澤浚被生擒，敵二十五、六十四軍也遭到重創。19日晚，我軍乘勝對碾莊圩敵兵團總部發起總攻，沖鋒號角響徹了淮海平原。經過一夜激戰，我軍于次日晨攻占了碾莊，全殲敵兵團部和二十五軍大部，黃伯韜慌忙逃至六十四軍軍部，繼續組織頑抗。21日晚，我軍向敵陣地發起最后攻擊，22日全殲敵軍，六十四軍軍長劉鎮湘被生俘。兵團司令黃伯韜看著司令部周圍一片狼藉，國民黨士兵的尸體橫七豎八地陳于野外，頓時感到一片悲涼，他心灰意冷，緩緩地舉起手槍，對準自己的太陽穴扣動了扳機……

在以殲滅以黃伯韜兵團為主的淮海戰役第一階段的作戰中，我軍共殲滅敵軍1個兵團部、8個軍部，18個整師，重創敵各路援軍，共殲敵17.8萬余人，攻占了宿縣城，切斷了津浦鐵路，孤立了徐州，為下一步更大規模的殲敵創造了條件。