血战碾庄
防御部署
当黄百韬兵团撒到碾庄时，鉴于严峻的形式，黄百韬开会研究当时形式，商讨对策。而在这次会上，多数的军官都主张趁共军主力未到，兼程前进，靠拢徐州以防被围，但这时偏偏有个64军军长刘镇湘想要留下来和共军干上一仗，如此境地仍敢声言同共一战。可是刘镇湘不想走的真正原因确是让人想不到的。黄百韬分配给刘镇湘的阵地是古时候的土山，相传三国时候关羽被曹操围住不得不降的地方就是这个土山，刘镇湘迷信，嫌其不吉利，所以不想走，另外他的64军经过整训后，比较完整，有些战斗力，他凭自己那点实力还想和共军较量一下，刘镇湘的意见遭到多数人的反对，但就在大家争论的时候，黄百韬兵团的先头部队在曹八集被歼，黄百韬兵团被共军给围了个水泄不通，这下想走还走不了了。
机要秘书进来呈上南京国防部急电：七兵团未过运河，便如此凌乱，恐继续西进，被共军尾追，陷于溃散。故令独断专行，迅速决策。如有必要，可在碾庄略加修整，如能击破敌人再走亦可。
黄百韬轻轻放下电报，脑际在快速翻腾：各军匆匆西撤，损失重，人心混乱，确实极需要整顿。再说解放军南下北上如此迅速，自己部队在毫无屏障的陇海线上撤退，很有可能被分割成一段一段。碾庄一带留有李弥兵团修筑的工事，只要对这些还很坚固的工事略加修整，就能立即使用。于是，黄百韬一拍桌子：“诸位，就这样定了!这次会战关系党国存亡，老头子不会置我们于不顾。我们应该有力挽狂澜的决心!”
他随即作出部署：
兵团司令部置于碾庄圩不变，令第二十五军副军长杨廷宴任碾庄圩警备司令，负责兵团部安全;第二十五军占领碾庄以北之小牙庄、万家壶一带，向北防御;第六十四军占领碾庄圩以南之大院上、吴庄，向东防御;第四十四军据守碾庄圩车站及车站以南之各村庄，对南防御;第一百军位置于彭庄、贺台子，对西防御;各军炮兵集中使用。
初期血战
经过几天紧张的追堵，11月11日，华野完成了对黄百韬兵团的包围，随即令第4、6、8、9、13纵队在特纵配合下，负责围歼黄百韬兵团。当晚，华野在碾庄一带部分地区打响外围战，但由于轻敌，激战一夜几乎毫无进展。黄百韬进驻碾庄圩之前，这一带一直是李弥兵团的防区，他们在这里留下了许多构筑完善的防御工事。特别是碾庄，村子的周围有两条又宽又深的水壕，水壕边还有用来挡水的厚厚的土墙，使碾庄变得易守难攻。
12日晚上，华野5个纵队在特纵坦克火炮的配合下，发起全面进攻。但由于准备不够充分，进展并不顺利。在碾庄的北面，4纵攻击大兴庄未成，西北方向的13纵也在大宋家与守军形成相持;6纵在西南方向进攻，攻占王家集，歼灭100军1个团，但在向彭庄进攻时，未能成功; 8纵始从东向西实施攻击，激战一夜，攻占鲁楼、 火烧房，在梁庄一带受阻;只有位于东南方向的9纵进展顺利，先后攻占前板桥、徐井洼等村庄。 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!”
由于黄百韬兵团十多万人集中在方圆仅十多里的地域，华野难以对其采用穿插分割，逐一消灭的战术，只能逐村逐屋争夺。而黄百韬并没有把外援看得太有希望，因而从一开始就抱着死拼的信念，依仗着地形优势和完善的工事，打得非常狡黠和顽固。各村的防御工事修得都很隐蔽，难以被发现和摧毁。有的工事还筑成夹墙式，当防线被突破后，他们就从解放军突进部队的后面进行射击。村落一旦被解放军占领，他们又立即组织炮火实施密集轰炸，然后进行反击。还不时联络空军对华野阵地进行空袭，造成华野很大的伤亡。
开头的三天中，华野虽攻下多个村庄，但进展比预计的要缓慢，且伤亡十分巨大。很多部队开始产生焦虑情绪。同时，由于部队前几天追击行军速度太快，后勤补给没有跟上，部队的粮食和弹药供应都出现了严重困难。
近迫交战
根据战场的形势发展，粟裕于14日晚上在碾庄南面的土山镇召开会议，决定建立攻击集团，由华野副政委兼山东兵团政委谭震林、山东兵团副司令王建安统一指挥围歼黄百韬兵团的战斗。并针对黄百韬兵团中各军强弱不一的特点，决定采取“先打弱敌，后打强敌，攻其首脑，乱其部署”的战法。同时，为减少部队伤亡，实施有效攻击，要求实行土工作业迫近国民党军阵地。 经过一天的准备，16日，华野攻击集团开始实施攻击，但由于缺乏步兵与坦克协同作战的经验，第一天的攻击仍然没有取得明显突破。各纵立即调整部署，实行逐点攻击逐村争夺。17日下午17时，华野攻击集团各部队在火炮和坦克掩护下再次发起攻击，(13纵因另有任务，移土山镇休整)。4纵攻占碾庄西北的大牙庄，歼灭国民党军108师1个团;6纵在坦克的配合下，经过激战，先后攻占碾庄以西的前黄滩、后黄滩，歼灭国民党44军军部及162师师部和4个团残部;9纵从碾庄南面实施攻击时，意图从南门内一座石桥上越过水壕。国民党军在不足百米的距离内，集中了数十挺机枪，以密集火力封锁小桥，9纵突击队多次攻击都未成功，伤亡十分惨重。对碾庄圩的攻击未能取得突破。
当日国民党军参谋总长顾祝同亲自乘飞机飞临碾庄圩上空，用电台与黄百韬通话，为其鼓励打气，告之外线邱、李兵团遭到顽强阻击，难以前进，要他在必要时率部突围，与邱、李会合。但黄百韬一直认为自己既不是黄埔系，又不是江浙人，蒋介石给他的总统府通行证编号为17号，比有些嫡系将领还要前面，这说明蒋对他的信任之重，所以在历次作战中都是竭尽全力，攻守得当。此次陷入重围，已抱必死之心，决心凭借战斗力较强的25军和64军，死守到底。
11月18日，解放军投入了坦克大队的六辆坦克，经过激战，先后攻占前、后黄滩，战斗异常残烈，44军150师师长赵壁光见阵地上火势熊熊，烟尘弥漫，尸横遍野，惨不忍睹，加上部下也不愿再战，便率150师残部约2500人向解放军投诚。在攻击44军军部时，国民党军凭借集团碉堡工事拼死顽抗，解放军组织了四次爆破均未成功，后由一辆日式轻型坦克运载着爆破手直接炸毁中心碉堡，才突破了敌之防御，步兵乘势猛攻，战至中午，44军、100军被全歼，44军军长王泽浚被俘。在攻击100军时，当华野官兵带着东北毛帽时，100军官兵心理防线彻底崩溃，以为林彪的东北野战军已经入关，至此100军军长周志道重伤被部下抬出战场遇到了邱李两兵团，副军长杨诗云被俘。
血战碾庄圩
在外围村落大都被华野攻占后，粟裕决定于19日晚以8纵从东南、9纵从南、6纵从西、4纵从北同时向黄百韬兵团部所在的碾庄发起总攻(6纵由于临时安排南下支援中野作战，退出战斗,总攻实际是由4、8、9纵实施的)。当时碾庄圩内有第7兵团部直属部队、警卫营、工兵营、25军和64军各1个团，总兵力近万人。
20时，总攻开始，华野集中所有重炮实施火力准备，随后各纵队发起攻击。22时，8纵一部首先进占碾庄东南角的一所小学校，继以3个团由东南角攻击内圩。此前，9纵司令聂凤智亲临最前沿观察地形，认真总结前几次进攻的经验教训，决定将交通沟挖到水壕边，战斗打响后迅速从战壕中冲出，在相应火力的掩护下涉水过壕，强行突破。按照这一方案，22时，9纵再次发动攻击，一举冲过水壕，突破了第一道围墙。但国民党军凭借两道围墙之间开阔地上的工事，以密集火力封锁开阔地，并组织反冲击，双方拼杀极其激烈，经过4小时激战，9纵突击部队于20日凌晨终于突破第二道围墙，率先冲入碾庄圩里。位于碾庄东南方向的8纵也于拂晓时分相继涉水突破两道水壕，进入村内。黄百韬率残部撤到碾庄东面的大院上(第64军军部所在地)，继续组织抵抗。清晨5时30分，华野攻占碾庄圩。
血战尤家湖
21日起，华野各纵分头攻击各村落的国民党军残部。25军军长陈士章当日伪装逃离指挥部，4纵攻占碾庄北面的尤家湖，歼灭25军4师残部3000余人，40师师长曾正我被俘，108师师长李世镜突围成功，军参谋长陶修被俘;由于64军有黄百韬，魏翱，廖铁军，刘镇湘等高级军官的督战，最后发出了顽强的抵抗。8纵于夜间攻占碾庄以南的三里庄，歼灭64军159师2个营。22日上午，各纵队开始进一步扫清外围，8纵于10时攻占小院上，歼154师师部及4个营;9纵26师同时攻占大院上。
残部突围
黄百韬撤至碾庄东北面的吴庄。下午，小吴庄、沙墩、小费庄的国民党军意图突围，当即被歼。16时，华野攻击集团发起总攻，黄百韬率部拼死顽抗。到黄昏时分，他见大势已去，就让64军军长刘镇湘指挥残部向西北突围。但部队刚一冲出村子就遭阻击，很快被全歼，刘镇湘被俘。黄百韬带少数人从尤家湖向西南突围，于途中负伤，绝望中自杀毙命，尸体由25军副军长杨宴庭和一名华野官兵掩埋，杨随后逃离战场。至晚，战斗全面结束。