邱清泉兵團在坦克、大炮支援和飛機掩護下，連續猛攻兩天，卻未能沖破解放軍的防御陣地，邱清泉開始感到大禍臨頭，驕橫之氣被一掃而光。12月6日，邱清泉拉著孫元良、李彌去見杜聿明，請求突圍。4人經過一番研究之后，作出了當日黃昏各兵團同時自行向淮河以南突圍的決定。然而，李彌和邱清泉回到兵團后，都感到包圍圈太強大，突圍無望，取消了自行突圍的決定。當晚，只有孫元良自行率第16兵團突圍。結果，除孫元良一個人化裝穿便衣僥幸逃出包圍圈外，第16兵團大部都被解放軍殲滅，殘部又被迫縮回到包圍圈內。

第16兵團突圍失敗后，杜聿明下令第2兵團和第13兵團就地死守，等待蔣介石施法救援。這時，陷入重圍的杜聿明集團還只剩下8個軍，被解放軍包圍在以陳官莊為中心的南北寬5公里、東西長10公里的狹小地區，杜聿明集團徹底陷入外無援兵、內缺糧彈的絕境。

此時，華北戰場已發起平津戰役，為了穩住和全殲傅作義集團于華北戰場。毛澤東著眼于戰爭全局，決定對杜聿明集團圍而不攻，不作最后殲滅。華野包圍杜聿明集團的各縱隊，12月于16日起轉入戰地休整。

12月20日開始，冷空氣突降淮北平原，戰區內天寒地凍，風雪交加。國民黨軍的空運十分困難，偶爾空投到的食品，引起官兵互相爭奪以至互相殘殺。許多官兵宰殺騾馬充饑，大批傷員凍死餓死無人問津，陣地上一片慘象。蔣介石在萬般無奈下，于1949年1月3日下令杜聿明冒險突圍，突圍時間定為1月9日，屆時蔣介石派飛機向解放軍陣地施防毒氣，掩護突圍。

然而，沒等杜聿明開始突圍，我軍就搶先發起了總攻。1949年1月2日，粟裕發布了攻擊杜聿明集團的總攻命令。1月6日15時30分，各部隊同時向杜聿明集團發起總攻。當晚即攻克敵人13個據點，殲敵1萬余人。7日，我軍又攻克李彌兵團駐地青龍集的20多個據點，殲滅其主力及邱清泉兵團的七十二軍大部。李彌率殘部逃往邱清泉兵團防區。9日晚，我軍以更猛烈的炮火在夜色中再次發起強大的攻擊，戰斗十分激烈。杜聿明集團殘部在飛機的掩護下，施放毒氣，企圖奪路向西逃竄。我攻擊部隊以猛打猛沖的動作，插入敵指揮中心陳官莊陣地。殘敵失去指揮，完全陷入混亂狀態，紛紛放下武器投降。杜聿明帶著副官、衛士10余人單獨行動，凌晨時全部被我軍俘獲。邱清泉帶著隨從副官從陳官莊逃出來后，神經失常，到處亂竄，高聲大叫“共產黨來了！共產黨來了！”天亮時被一陣亂槍打死。只有李彌化裝逃了出去。

至10日下午16時，杜聿明集團全部被殲滅。震驚中外的淮海戰役以我軍的徹底勝利而宣告結束。