当晚碾庄外围作战打响，6纵首先攻击张庄之敌，由于认为敌是溃退之师，有轻敌思想，加上刚经过长途行军，仓促投入攻击，激战一夜仅占了村里几处房屋。

　　11月12日，4纵攻击碾庄以北小牙庄、尤家湖的第25军，6纵、13纵协同攻击彭庄、贺台子的第100军，8纵攻击碾庄以东大院上、吴庄的第64军，9纵攻击碾庄以南的第44军。各纵均采用连续突击战术，猛打猛攻，但这一带房屋分散，水塘、洼地密布，易守难攻，伤亡较大而进展缓慢。

　　同一天，国民党空军派飞机向碾庄空投对空联络电台，飞机在碾庄上空发生故障而坠毁，飞机上的空军通讯科少校科长跳伞落到碾庄，进一步密切了陆空联络，黄百韬喜形于色，叫道：“天助我也!”

　　11月13日，解放军继续猛攻，由于黄百韬兵团四个军八个师近十万人，集中在方圆仅十里的地域，使解放军擅长的穿插分割，逐一消灭的战术无法实现，只能逐村逐屋争夺。尤其是黄百韬兵团中的第64军，虽是广东军，但极善防守，往往把地堡作为诱饵，并不布置部队，而是在地堡两侧的散兵壕里部署小部队，专门以火力杀伤企图爆破地堡的爆破组。村里的防御工事射击孔大都贴地而建，难以被炮火摧毁，有的工事还筑成夹墙式，当解放军突破后，再从后面进行射击。村落一被占领，立即组织炮火实施密集轰击，然后进行反击。还适时召唤空军轰炸解放军攻击出发阵地，以瓦解解放军的攻势。在这种战术面前，解放军伤亡极大，如6纵攻击64军唐家楼阵地，6纵作为华野攻坚力较强的部队，投入两个主力团经一夜激战，以伤亡过半的代价，才攻下半个村子。 　　

　　黄百韬兵团正面遭遇

　　11月7日，粟裕查明了黄百韬兵团的西撤行动，又获悉何、张即将起义，立即下令各部分头追击，要求各部不怕建制混乱，谁先到达，谁就先切断敌向徐州退路。华野担任突击任务的第1、4、6、8、9纵队分路南下，向运河东岸挺进;第7、10、13纵队穿过第3绥靖区起义部队防区，直取曹八集、大许家;第2、12纵队南越陇海路，向徐州东南攻击前进，迂回堵截西撤之敌;第11纵队及江淮军区两个旅，经皂河向大许家前进，与突击集团协同堵截西撤之敌。

　　11月8日黄昏，第4纵队在运河车站以北与黄百韬兵团后卫第100军44师遭遇，激战一夜后，4纵未与敌纠缠，向西强渡运河，继续追击黄百韬兵团。当天午夜，第9纵队在沂河边的埝头集追上了黄百韬兵团担任侧翼掩护的第63军后卫两个团，在战斗中为了迅速渡过沂河迂回包围敌人，9纵27师79团1营2连的十个战士跳下冰冷的河中，用肩膀托起木板架起浮桥，保障部队完成了任务。这个事迹被称为“十人桥”，后来写进了新中国的小学教科书。激战至次日拂晓，全歼63军后卫两个团。

　　11月9日，华野发布《关于全歼黄百韬兵团的政治动员令》，号召全军不怕疲劳，不怕困难，不怕饥寒，不怕伤亡，不怕打乱建制，不为小股之敌迷惑，不为河流所阻，坚决追击，奋勇作战。特别要求各级指挥员在总作战意图下，机断专行，灵活指挥，不失战机组织作战。

　　华野主力的多路推进，以及何、张的起义，南京震惊，徐州惶恐。蒋介石、刘峙都判断解放军势在攻取徐州，为确保徐州，徐州剿总于11月9日紧急调整部署。李弥兵团向徐州东北的大湖、荆山铺、茅村车站地区集结;黄百韬兵团向徐州东南的徐山村、潘塘地区集结;邱清泉兵团位于徐州以西的黄口地区，对付从鲁西南向徐州推进的解放军六个纵队(实际为两个纵队);孙元良兵团主力务必于11月10日到达宿县、符离集，另以一个军守蚌埠;刘汝明第4绥靖区在怀远、定远、凤阳布防;剿总直属之第72军守徐州，第96军守临淮关。