黃百韜25軍原奉命北援兗州，6月28日到達滕州以北的界河，29日奉命南返徐州，率同張滋緒第三快速縱隊，張績武第二交警總隊，組成黃百韜兵團馳援睢杞戰場。（注：25軍廖敬安148師留守徐州。）

黃兵團突然來到豫東戰場，這是100軍南下後，粟裕遇到的第二個重大意外事件，此時的粟裕幾乎無兵可調，葉飛兵團正與區壽年兵團血戰中，陳唐兵團正在與邱清泉兵團殺得血流成河；倉皇中，粟裕命中野王秉璋十一縱（此刻正圍攻區兵團李文密新21師）、曾生兩廣縱隊（正在阻擊周志道100軍）、華野司令部警衛團共約2萬人迅速趕往帝邱店一線阻擊黃兵團；僅僅一日，被黃兵團擊潰；當晚，黃兵團佔領老王集，此時，負責進攻鐵佛寺72軍的共軍葉飛一縱之廖政國1師，遭到了國軍兩面夾擊，狼狽不堪。

7月1日，得悉黃兵團出現在豫東戰場的消息後，許世友下令二度包圍兗州。

7月1日下午，75軍第6師及新21師覆沒，兩師長李邦華、李文密被俘；當晚，葉飛兵團對龍王店75軍16師展開總攻，區壽年率75軍軍長沈澄年、16師師長陳志大等拼死抵抗。

7月2日淩晨，區壽年率戰車營為前鋒對共軍展開逆襲，結果兵敗被俘，不久沈澄年亦被俘；陳志大率16師大部向鐵佛寺突圍，與72軍謀求聯絡，在廂榆鋪被共軍堵截，但與鐵佛寺已咫尺之遙。

7月2日，黃百韜兵團對鐵佛寺外圍共軍的進攻白熱化，戰況慘烈至極。

粟裕此時做出一個瘋狂的決定，他命令葉飛兵團附兩廣縱隊、陳銳霆特縱轉而圍攻黃兵團，張仁初八縱負責圍殲陳志大16師（張縱此前負責阻擊邱清泉兵團），王秉璋中野十一縱由於在阻擊黃兵團的戰事中傷亡近半，此次作為總預備隊，並負責監視鐵佛寺余錦源72軍。粟裕要求葉飛等將領在48小時內殲滅黃兵團。

7月2日晚，豫東會戰的決定性時刻到來，葉飛兵團十個師對黃兵團三個師展開圍攻，戰至4日上午，黃兵團退入帝邱店死守；下午，黃百韜親持衝鋒槍，率領裝甲兵對共軍展開反擊，黃負傷後大呼“中華民國萬歲！”，決戰不退，在其激勵下，該部官兵奮勇向前，帝邱店之戰達到最高潮。粟裕急調8縱陳宏23師加入帝邱店戰事，此時陳志大仍率16師47團在楊拐村繼續戰鬥，並給與共軍重大殺傷。

7月5日，共軍短暫休整後，再度對帝邱店發起總攻；當日，粟裕得報，邱維達74軍到達寧陵，粟裕乃再調中野十一縱、兩廣縱隊、野司警衛團飛奔至寧陵以西阻擊74軍。

帝邱店之戰，鏖戰至6日中午，粟裕得報：邱清泉第5軍、高吉人70軍、周志道100軍突破陳唐兵團防線，已對陶勇四縱背後展開進攻；邱維達74軍擊潰中野十一縱阻擊；劉鄧中原野戰軍防線被張軫、胡璉兵團突破，第18軍已逼近太康；劉汝明部55軍、68軍亦分別從開封、商丘南下。

7月6日夜，粟裕下令對帝邱店作猛烈炮擊，然後宣佈全軍向魯西南急撤，並電告周恩來，請其派華北共軍南下策應；由於國軍追擊甚緊，共軍只帶走了一半傷員，邱清泉第5軍俘獲共軍傷員約3600人。

顧祝同隨即下令邱清泉、黃百韜、孫元良銜尾窮追，共軍且戰且走，最終於7月19日，在許世友山東兵團援助下，東渡運河，在濟寧一帶集結，國軍停止追擊。豫東會戰，至此結束。

豫東會戰，可謂徐蚌會戰的預演，此戰共軍中野全部參戰，華野除許世友山東兵團、韋國清蘇北兵團，其他全部參戰；國軍方面，幾乎就是此後參加徐蚌會戰的全部兵力。由此，我們可以輕易明白為何國軍徐蚌會戰會慘敗，因為共軍增加的山東、蘇北兩兵團近30萬人的兵力，尤其是山東兵團20萬人馬，國軍無力抗衡；而華中剿總白崇禧先是出爾反爾，拒絕指揮徐蚌會戰，會戰開始後，又拒不執行蔣介石的命令，派出張淦、宋希濂兩兵團參戰，兵力嚴重失衡下，華東國軍只能悉數亡命於漫天飛雪中。

豫東會戰，華野陳唐兵團、葉飛兵團及其他部隊共二十萬大軍，傷亡近半；國軍方面，開封失而復得，損失了李仲辛66軍、沈澄年75軍兩軍大部。戰後，蔣介石親自向黃百韜頒授青天白日勳章。

7月13日晚，就在粟裕大軍在魯西南奔逃時，許世友攻克兗州，12軍軍長霍守義被俘，第十綏靖區司令官李玉堂隻身逃脫。至此，津浦線棗莊以北全部被共軍佔領，濟南已成死城。