第二階段（1948年１１月２３日至１２月１５日），殲滅黃維兵團，合圍杜聿明集團。

黃百韜兵團被殲后，邱清泉第2兵團和李彌第13兵團，立即向徐州收縮；李延年第6兵團、劉汝明第8兵團仍然位于任橋、花莊集地區(qū)。只有黃維第12兵團繼續(xù)沿蒙城至宿縣公路向宿縣推進。

11月24日，蔣介石在南京召集顧祝同、杜聿明等開會，計劃三路會攻宿縣，打通津浦路徐蚌段。其計劃是：杜聿明指揮徐州主力沿津浦路向南進攻；李延年、劉汝明兵團沿津浦路向北進攻；黃維兵第12兵團繼續(xù)向宿縣方向進攻。

對于這一計劃，杜聿明表示：“總統(tǒng)的這一決策我同意，但是兵力不足，必須再增加5個軍，否則萬一打不通，黃維兵團又有陷入重圍的可能?！笔Y為難地說：“5個軍不行，兩三個軍我想法調來，你先回去部署攻擊吧?！苯又?，蔣又滿懷希望地說：“這一作戰(zhàn)計劃能否得以順利實施，關鍵就看黃維能不能快速搶占宿縣，你們要很好地配合黃維兵團的行動?！?/span>

解放軍淮海前線總前委鑒于黃維兵團遠道而來，兵疲糧缺，又與宿縣、蚌埠有相當距離，且孤軍突出的情況，決定集中中野主力，先打黃維。黃維第12兵團是國軍的“王牌”部隊，編制、裝備、訓練、作戰(zhàn)經(jīng)驗在國軍中都是第一流，其中第18軍全為美械裝備，是國軍“五大主力”之一。中野總兵力為7個縱隊約12萬人，與黃維兵團的兵力是一比一，但武器裝備卻比黃維兵團差多了，要吃掉黃維，決非易事，但劉、陳、鄧還是下定決心要與黃維一較高低。

為殲滅黃維兵團，劉、陳、鄧三位首長精心運籌，誘黃維渡澮河而殲之。11月23日，總前委向中央提出了先殲滅黃維兵團的作戰(zhàn)計劃。11月24日，即蔣介石在南京召開軍事會議制定“三路會攻宿縣”計劃的同一天，毛澤東復電批準了淮海前線總前委提出的消滅黃維兵團的作戰(zhàn)計劃，電文稱：“完全同意先打黃維”“情況緊急時機，一切由劉、陳、鄧臨機處置，不要請示?！笨偳拔⒓催M行圍殲黃維兵團的作戰(zhàn)部署 。于是，國共雙方高級將領，各率所部，在皖北平原展開了一場聲勢浩大的龍虎大決斗。

11月23日拂曉，黃維以第18軍居中路，第14軍在右翼，第10軍在左翼，第85軍殿后，以坦克開路，在飛機的支援掩護下，分三路向南坪集發(fā)起猛烈攻擊。中野第4縱隊與黃維兵團激戰(zhàn)一天，當晚奉命放棄南坪集，誘黃維北渡澮河。黃維不知是計，立即揮兵渡河急追。24日，黃維兵團渡過澮河，進入解放軍預設的袋形陣地內。黃維這才發(fā)現(xiàn)不妙，轉頭就縮回澮河南岸，并沿澮河南岸向固鎮(zhèn)西南的鐵路線靠攏，以圖與李延年兵團會合，再沿津浦線北進。中野7個縱隊趁勢全線大出擊，猛力合圍。至25日晨，將黃維兵團包圍在宿縣以南以雙堆集地區(qū)。

11月25日、26日，中野各縱隊繼續(xù)向黃維兵團發(fā)起猛攻。但黃維兵團也不吃素的，抵抗十分頑強。蔣介石得知黃維兵團被圍后，命令黃維“應不顧一切即以主力向東攻擊，擊破當面之匪，與李延年兵團會師?！秉S維被包圍后，并沒有驚慌，認為自己這個兵團的武器裝備和軍事素質普遍不錯，第85軍第110師師長廖運周主動請纓打頭陣，黃維高興地連聲夸獎，并拿出自己久藏而舍不得喝的白蘭地，預祝廖旗開得勝，馬到成功。但黃維哪里知道，廖運周是一名中共地下黨員，此時正醞釀率部起義。

11月27日，黃維以廖運周第110師打頭，第18軍的第11、第118師、第10軍的第18師隨后跟進，向東南突圍。當110師排成4路縱隊通過解放軍陣地后，解放軍為110師開放的口子馬上又封上了，在110師后面跟進的師突然遭到解放軍猛烈的火力打擊，傷亡慘重，被迫退了回去。第110師的起義，使得黃維精心策劃的突圍行動遭到慘敗。蔣介石察覺到黃維兵團依賴其自身力量不可能突出包圍，于是下令其擴大防守地區(qū)，固守待援。

杜聿明按蔣介石三路會攻宿縣的計劃，以李彌兵團守徐州，以邱清泉、孫元良2個兵團沿津浦路東西兩側向南攻擊前進，但遭華野阻援部隊的頑強阻擊，被滯留在孤山集、后官橋、四堡、褚蘭以北地區(qū)，無法前進。由蚌埠、固鎮(zhèn)北進的李延年、劉汝明2個兵團發(fā)現(xiàn)華野一部主力南下，懼怕被殲，倉惶由花莊集、龍王廟、任橋地區(qū)南撤。華野5個縱隊趁勢追擊，于老曹集地區(qū)殲滅第39軍后尾2個團。李延年、劉汝明兵團主力逃到淮河以南。 至此，蔣介石策劃的三路會攻宿縣，打通津浦路的作戰(zhàn)計劃徹底破產。

中野圍殲黃維兵團的各部隊，經(jīng)過幾天的總結經(jīng)驗、戰(zhàn)場偵察和準備，開始發(fā)動全面進攻。解放軍采取掘壕前進、迫進作業(yè)的攻堅戰(zhàn)術，實施穩(wěn)扎穩(wěn)打，逐點攻擊，攻占一村、鞏固一村，緊縮包圍圈。至12月2日，黃維兵團被壓縮在以雙堆集為中心的縱橫5公里的狹小地區(qū)內。蔣介石眼看黃維兵團不保，嚴令李延年、劉汝明兵團再次北援，并派劉峙到蚌埠督戰(zhàn)。

為爭取戰(zhàn)役主動，解放軍淮海前線總前委向中央軍委建議抽調華野部分兵力參加對黃維兵團的作戰(zhàn)。在得到中央軍委批準后，總前委于12月5日發(fā)出對《黃維作戰(zhàn)總攻擊命令》。

12月6日，解放軍3個攻擊集團從各個方向同時發(fā)起對黃維兵團的總攻。激戰(zhàn)至15日，黃維兵團被全殲。中將司令官黃維，副司令官吳紹周、第18軍軍長楊伯濤、第10軍軍長覃道善等被俘。第14軍軍長熊綬春被擊斃。只有副司官胡璉乘戰(zhàn)車潛逃。蔣介石寄予重望的一個王牌兵團、包括“五大主力”之一第18軍在內的12萬人馬就這樣葬送在雙堆集。