一、攻占大王庄
从12月4日起，进入歼灭黄维兵团的最后阶段。总前委决定使用总预备队华东野战军（简称华野）七纵和十三纵队，并调来华野特种兵纵队一部，将参战部队分为东、西、南3个集团，分别由陈赓、陈锡联、王近山指挥。
6日16时30分，总攻开始。各集团利用纵横交错的交通壕，充分发挥步炮协同的威力，向双堆集四周展开猛烈的攻击。7日晨，先后攻占李圩子、李土楼、小周庄、宋庄、马圩子等村，剥开了敌防御体系的第一层外壳，把战线推向敌纵深防御阵地。7日后，各集团采用昼停夜攻、近迫作业的方法，又陆续攻占后周、沈庄等10多个村庄。
大王庄位置在敌兵团部的东南角，距双堆集的制高点尖古堆不足1里，是敌兵团部的大门。夺取大王庄，可使第十二兵团部及其核心防御阵地全部暴露于解放军炮火之下。
9日黄昏，华野七纵二师六团在炮火的掩护下，一举攻占大王庄，至夜，全歼守敌两个营。10日拂晓，敌集中第八十五军榴弹炮营，第十八军所有榴弹炮、山炮向大王庄阵地猛轰，并以十八军两个团的兵力分三路向大王庄猛扑。解放军战士沉着应战，凭借坚实的工事和交错的交通壕大量地杀伤敌人。经过两个多小时的鏖战，打退了敌人的反扑。
敌遭到重大伤亡后，很快组织了更加疯狂的攻击。十八军4个团分数路冲锋，战士们顽强地打击敌人。子弹打完了，就用刺刀同敌人进行肉搏战。一连、二连、三连阵地相继被敌人突破。各连联络断绝，但各个阵地的勇士们仍坚守阵地。一连五班最后只剩班长金章奎1人，他还是坚持着同敌人拼，使成群的敌人不能逼进阵地。
午后，我军阵地大部丢失，情况十分危机。邻近阵地的中野六旅四十六团主动驰援，两支部队互相配合，共同进行反击。在硝烟弥漫中敌我双方冲来扑去，逐屋逐院争夺。下午5时，我军打退了敌人9次进攻，将敌全部赶出大王庄。
二、歼灭十四军
国民党第十四军驻守距双堆集4公里的杨圩子。连日来，杨圩子周围的阵地一个个被拔掉，困守在这里的第十四军不仅弹药得不到补充，而且粮食也补给不上，南京每天派飞机空投食物和弹药，由于包围圈狭小，大多数空投物资落入解放军阵地，即使落入敌阵，也是互相抢夺，甚至动武。上千匹战马大部打死在外壕里，士兵每天用马肉充饥；无处觅柴，便拆房子烧；房子烧光了，只好宿在壕沟和掩蔽部里；成百伤病官兵，无医无药，无人照管，只有躺卧在壕沟里呻吟。
第十四军军长熊绶春在被围的日子里，思想很混乱。11月27日当参谋长梁岱被俘释放带来了解放军的劝降信时，熊绶春看后惟恐黄维知道，将信撕了。12月9日大王庄失守，第十四军内部一片混乱。熊绶春开始萌动投降之心，但仍幻想凭借复杂的工事和平坦的开阔地支撑到援军到来。
解放军的交通沟又深、又宽，从东、西、北三面向敌工事伸去。11日中午，突击队已安全进入距敌30公尺的地方，静静地等待突击的命令。16时30分，我东集团某部二十八团、六十六团发动进攻。上百门大炮一齐射击，成排的炮弹落入敌前沿和纵深阵地。鹿寨被扫得精光，暗堡飞上空中。解放军很快占领敌前沿工事，并向纵深阵地猛冲。弹粮俱无的敌人溃乱了。集团工事大部被占领，许多敌人向西南逃去，炮火随即延伸到西南方，敌人大都被截了回来。这时解放军从三面会攻西南角集团工事，吓昏了头的敌人纷纷从打塌了的工事里爬出来举手投降，许多军官还自报职务和姓名。
第十四军军部设置在村子西北角。从一开始打炮，熊绶春就躲进一个很深的洞里，面色惨白，对着妻子的照片，边看边流泪。当解放军冲入掩蔽部附近时，熊绶春惊慌失措，但他拒绝了参谋长梁岱的劝降，刚冲出掩蔽部就中弹而死。
19时，解放军胜利攻占杨圩子，全歼第十四军，击毙军长熊绶春，生俘参谋长梁岱、团长何玉林、李剑民等军官。
三、消灭“老虎团”
12月12日，刘伯承、陈毅以中野、华野司令员的名义发出《促黄维立即投降书》，告诫黄维：“现在你所属四个军业已大部被歼，再作绝望的抵抗，只能在人民解放军的强烈炮火下完全毁灭。立即放下武器投降才是出路。”文告通过电台、前线广播筒反复对敌广播。
由于黄维拒绝投降，总前委于14日决定摧毁敌最后一道防线，即金庄以南的“老虎团”阵地。“老虎团”阵地距兵团部不足2里，是黄维为确保兵团部安全，临时修筑的一个野外独立的集团工事。据点正面两侧构筑6个集团堡垒，据点内外密布暗堡及火力点，组成多重严密的火力网。据点内是曲折复杂的交通壕，联系着蜂窝似的散兵坑和掩蔽部。据点背后是炮兵阵地和全无伪装的坦克。驻守该据点的是国民党第十军一一四师五十四团，该团在鲁西南战场上，因狡猾顽固未被全歼，竟自标榜为“老虎团”。黄维便把这个主力团放在最后一道防线上，企图作最后的顽抗。担任消灭“老虎团”任务的是中野六纵十七旅四十九团的“襄阳营”和华野三纵八师二十三团的“洛阳营”。
“襄阳营”是中野最擅长攻坚的部队，在襄樊战役中首先突破襄阳城防，获“襄阳特功营”称号。“洛阳营”是华野的英雄部队，在夺取中原重镇洛阳的战斗中，率先将红旗插上洛阳城头，获“洛阳登城第一营”称号。这两支部队在战场上曾多次互相配合取得胜利。这次战斗，两支部队又共同组成一个战斗集体，成立了联合指挥部，统一归中野六纵四十九团指挥。“襄阳营”担任主攻，“洛阳营”配合行动，分别从南面、东面突破。
14日16时45分，解放军集中炮火猛轰敌阵地，敌用以搭筑工事的大车、树干、门板顿时飞向空中。经过1小时的轰击，被称为“永久性”的防御工事在硝烟里仅能看到一些模糊的痕迹。17时45分，“襄阳营”、“洛阳营”分别由营长谭笑林和张明率领从南、东两个方向发起进攻。“襄阳营”一连首先占领敌一个前沿小集团工事，二连从右翼突入交通沟，敌前沿阵地被突破。3个步兵连分成几路迅速向纵深猛插。敌人非常顽固，依托残破的地堡继续顽抗。到处是枪声、爆炸声。天色渐暗，“襄阳营”指挥所刚扎下，由敌五十四团团长孟述美亲自指挥的反扑开始了。伤员不断从前面抬下来，冲到最前面的一连三排打退了敌人两次反扑后，阵地上仅剩下3位战士。老战士刘乃江主动担任组长，同两位战友一起顽强战斗。弹药打光了，就拣敌尸体上的弹药，一直坚持到二连战士的到来。三连进入突破口后，直向西北角猛插。当接近圩墙角最后一个地堡时，敌人突然冲上来，战士们立即同敌人展开了肉搏战。情况非常危机，谭笑林率领战士及时赶到，杀开一条血路，占领一段交通壕，几挺机枪架在交通壕前沿猛射，将敌击退。
“洛阳营”突入敌阵后，张明立即命令三连占领右前方集团工事，保证后续部队投入战斗。他率领一连、二连战士继续冲锋，吸引敌人火力，支援“襄阳营”的正面攻击。经过两个小时的鏖战，英雄的“襄阳营”在“洛阳营”的密切配合下，消灭了“老虎团”，突破了黄维兵团最后一道防线。
四、十二兵团的最后覆灭
“老虎团”的被歼，使敌十二兵团失去最后一道屏障。“固守待援”、“三路大军会师”也徒成画饼。黄维、胡琏决定于15日黄昏全线突围。突围方针是“四面开弓，全线反扑，觅缝钻隙，冲出重围”。突围方向是东、西、北三面。第十军十八师、一一四师余部由军长谭道善率领向东突围；第十八军十一师残余由兵团司令黄维，副司令胡琏、吴绍周指挥向西突围；第十八军一一七师及其炮兵、工兵等余部由第十八军军长杨伯涛指挥向西北突围。严令突围前凡能携带的轻武器尽量携带，凡不便携带的电台、步话机、重武器一律破坏。敌突围命令下达后，各部顿时引起骚动。弹尽粮绝的国民党官兵争相突围逃命，就是黄维、胡琏、吴绍周也惟恐夜间坦克行动不便难以脱身，也未按计划突围，而是于16时许，分乘3辆坦克，指挥第十军十一师和战车部队率先逃命。
总前委及时发现了敌人动机，命令各部“乘敌慌乱突围之机，对敌穿插割裂分头围歼”。各路大军立即投入最后围歼黄维兵团的战斗。黄维率第十一师残部行至玉皇庙附近，所乘坦克被炮火摧毁，不得已爬出坦克混入敌群中逃命。吴绍周因桥被炸断坦克难以通行，被俘获。
敌人从哪里突围，我军就在哪里围歼。在强大的人民解放军的打击下，敌十二兵团残余已无力顽抗，不断地溃散，缴戒投降。
晚11时，国民党第十二兵团被人民解放军全部、干净、彻底地歼灭了。自称是第十四军军部文书的兵团司令黄维，也在南坪集东南周庄的一片麦地里，被中野三纵七旅特务营通讯员桑小六、范介明生俘。除兵团副司令胡琏等少数将领逃脱外，兵团副司令兼军长吴绍周，军长谭道善、杨伯涛，副军长王岳，师长王元直、尹钟岳、夏建绩、潘琦等27名将级军官做了俘虏。