在济南失守后，1948年10月，徐州剿匪总司令部开始收缩兵力，国军集结了4个兵团（第二、第十三、第七、第十六兵团）和4个绥靖区（第三、第四、第一、第九绥靖区）部队25个军共约60万人，以徐州为中心，利用津浦、陇海两条铁路线，组成东起海州、西迄商丘、北起临城、南达蚌埠之“一点两线”防御阵线，加强防守中原和华东地区，采取战略守势。月底，解放军中原野战军进攻郑州，国民党军忧虑其可能会与华东野战军在江淮地区会合，为巩固江淮，屏障南京，10月29日，国民党参谋总长顾祝同和国防部长何应钦在国防部召开作战会议，按照华中剿匪总司令部总司令白崇禧提出“守江必守淮”之指导思想，提出两种作战方案。11月5日，顾祝同在徐州召集刘峙、邱清泉、黄百韬、李弥等开会，确定部署按第一案，将主力部队沿津浦路排开。由蚌埠进军的李延年第六兵团、刘汝明第八兵团担心被解放军攻击而拖延北进，造成从华中剿匪总司令部增援向宿县进军的第十二兵团（司令官黄维）位置突出、孤立，在解放军的阻击下，这3个兵团无法靠拢徐州，从而打通徐州至蚌埠间联系。
11月6日，淮海战役（国民党称“徐蚌战役”）打响。陈毅、粟裕指挥的华东野战军及时切断正向徐州收缩的黄百韬兵团的退路，并将其包围在徐东碾庄地区。同时，刘伯承、邓小平指挥的中原野战军攻占了军事重地宿县，切断了徐州刘峙集团的陆上退路。蒋介石调杜肇明回徐州作战，敌人几路兵团云集逼近徐州，战场形势对国军极其不利。第十二兵团由蒙城出发渡过涡河。21日，第十二兵团到达南坪集并渡过浍河，发现解放军有合围之势。23日夜转向东南方向的固镇转移，企图向李延年第六兵团靠拢。中原野战军集中兵力合围黄维第十二兵团。25日，中原野战军7个纵队将国民党军第十二兵团包围在于宿县西南之双堆集。27日，黄维指挥第十二兵团乘合围尚不严密以4个师兵力为先头向东南方向全力突围，其中第八十五军第一一零师师长、中共地下党员廖运周率部阵前倒戈，使黄维突围计划失败，军心动摇，士气一蹶不振，只得就地固守待援。此时，国民党军已处在被动挨打的地位，由于第七兵团被消灭，徐州东线已完全暴露；徐州往蚌埠之退路，亦因宿县被中原野战军占领而切断。而黄维第十二兵团也被解放军合围，有被全歼之危险。
11月28日蒋介石在南京召开军事会议，不得不下令徐州驻军第二、第十三、第十六三个兵团放弃徐州向江南撤退，徐州剿匪总司令官刘峙离开徐州调到蚌埠指挥第六兵团、第八兵团再次北援，由徐州剿匪副总司令杜聿明指挥30万徐州守军，于11月30日放弃徐州向西南沿永城、涡阳撤退。华东野战军发现国民党军撤走，即以7个纵队30万人发起追击、拦截。同时，由于南线李延年兵团缩回蚌埠，华东野战军又从南线另抽调3个纵队加入北线对杜聿明集团的围攻。杜聿明部途中接到蒋介石命令向东南出击，解救黄维第十二兵团，邱清泉第二兵团、李弥第十三兵团、孙元良第十六兵团不得不转攻东南，最终于12月4日被华东野战军包围在永城东北陈官庄地区。12月6日，第十六兵团因协调错误，自行突围，大部被歼灭。
中原野战军对黄维第十二兵团采取大量土工作业的近迫攻坚战法，对第十二兵团合围圈不断缩小防区，至12月初，第十二兵团粮弹不足陷入困境，只能靠有限的空运补给。此外，华东野战军又抽调5个纵队加特种兵纵队由华野参谋长陈士榘指挥，加入对第十二兵团的围攻。第十二兵团副司令胡琏因回家奔丧最初没有随军，第十二兵团被围后乘飞机进入双堆集包围圈。12月12日中原野战军、华东野战军对第十二兵团全线发起总攻，至15日第十二兵团残部各自突围被歼灭，消灭了国民党军12万人，俘虏第十二兵团司令黄维，副司令胡琏搭乘战一团战二营代营长甘义三之座车，单独突围逃出。
为配合平津战役对傅作义集团之分割包围，避免其迅速决策经海路南逃，解放军对合围的杜聿明部暂缓攻击，进行了20天休整，向杜聿明发动政战宣传与劝降，消耗其心理，为最后围歼杜聿明部做最后准备，虽然杜聿明拒绝投降，但瓦解了国民党军官兵士气。
平津战役解放军完成了对北平、天津等地的分割与包围之后，1949年1月6日，解放军向青龙集、陈官庄地区被围的杜聿明部发起总攻，9日消灭第十三兵团大部，残部撤往第二兵团防区。10日战斗结束。徐州剿匪总司令部副总司令兼前进指挥部主任杜聿明被俘，徐州剿匪总司令部前进指挥部副主任兼第二兵团司令官邱清泉阵亡，第十三兵团司令官李弥逃脱。李延年第六、刘汝明第八兵团随后放弃淮河以南、长江以北地区，撤往江南，淮海战役结束，解放军占领了长江以北大片土地。
淮海战役是解放战争战略决战的三大战役中规模最大的战役，自1948年11月6日至1949年1月10日，历时66天。国民党军先后投入7个兵团、2个绥靖区，34个军，86个师，共约80万人；出动飞机高达2957架次。解放军参战部队华东野战军16个纵队，中原野战军7个纵队，连同华东军区、中原军区地方部队共约60万人。
战役中共消灭国民党军徐州剿总前进指挥部及其所指挥的5个兵团部，22个军
