回師南下的杜聿明集團，與共軍惡戰至6日下午，進攻至陳官莊以南地區，但周邊共軍攻擊愈加激烈，尤其孫元良兵團陣地，屢屢被共軍突破；邱清泉、孫元良認為無法繼續南攻，只有突圍一途；杜、邱、孫隨後徵求李彌意見，李彌始終沉默，只表示一切服從杜聿明命令。最終，杜聿明決定，當晚22:00各兵團分路突圍，至阜陽集合。

傍晚，李彌表示其負責東、北方向共軍兵力雄厚，很難輕易突圍，部隊需重新調整，最快次日拂曉才能實施突圍；稍後，邱清泉亦表示，其負責的西、南方向難以突圍，且74軍軍長邱維達認為突圍等於逃跑，主張不顧一切向雙堆集進攻；邱清泉本人則認為拋棄所有重武器突圍，有失軍人榮譽；至於孫元良，則已聯繫不上。

最終，杜、邱、李決定無論孫元良是否突圍，邱、李兩兵團均堅守陣地。

6日晚20：00，孫元良16兵團分路向西、北方向突圍，最終，大部被共軍殲滅，孫元良化妝走脫，41軍軍長胡臨聰、47軍軍長汪匣鋒皆被俘，兵團參謀長張益熙率未突圍的1萬餘人逃入第5軍陣地，被杜聿明編入72軍。

當日深夜，杜聿明等得悉，林彪已率東北共軍百萬之眾入關，絕望中杜聿明請求蔣介石自西北胡宗南部、華中白崇禧部緊急抽調援軍；蔣介石隨後與白崇禧通話，希望他明白唇亡齒寒，同意派張淦、宋希濂兩兵團增援徐蚌，白崇禧以武漢防務空虛斷然拒絕。

12月7日，邱清泉、李彌抖擻精神，以最後的力量向南猛攻，邱維達74軍一度取得突破；

同日，黃維認為胡璉沒必要在雙堆集陪葬，他讓胡璉以彙報戰況、請派援軍的名義飛回南京，並拜託胡照顧其家小，日後有機會重建十二兵團，二人互道珍重而別。

9日，得知已無任何增援希望的胡璉，毅然飛回雙堆集；

孫元良兵團覆沒後，邱清泉、李彌兩兵團為解黃維之危，同時也為自己能活著到達淮河南岸，對當面共軍展開瘋狂進攻，而華野共軍為阻擊並圍殲杜聿明集團，亦毫不退縮；至10日，李彌先後槍斃未守住陣地的第8軍、9軍團長楊京、孔志堅；第8軍42師師長石建中親冒矢石，身負重傷，副師長伍子敬接替指揮，奮戰不息；李彌甚至寫下遺囑，“若戰死，由黃淑接任司令官職務”；其餘第5軍、第70軍、第72軍、第74軍等無不奮勇拼殺。

12月10日上午，雙堆集，第85軍23師師長黃子華率該師及216師一部投共；至此，吳紹周85軍三個師參戰部隊除軍直外，已全數叛變。（該軍谷允懷216師主力留駐武漢，隨12兵團北上只有一個團）；而12兵團雙堆集防禦體系隨著黃子華的叛變亦宣告瓦解。

12月10日，陳毅向粟裕報告：

1、目前正在雙堆集作戰的成鈞、周志堅等華野將領與中野將領間矛盾重重，雙方互不相讓，難以合作；

2、胡璉返回雙堆集。

粟裕得到陳毅報告後，乃命參謀長陳士榘率孫繼先三縱、胡炳雲十一縱、傅秋濤魯中南縱兼程南下，第三度加強對十二兵團的圍攻兵力，並由陳士榘統一指揮在雙堆集作戰的所有華野部隊。

10日晚，陳官莊，華野共軍對邱、李兵團全線發起反擊。

現在回顧這段歷史，徐蚌會戰國軍最有可能的轉機，就在12月4日—10日這一周。在這一周內，黃維面對的共軍為20餘萬，而12兵團僅10萬人；杜聿明面對的共軍達30余萬，杜集團在孫元良覆沒之前為25萬，之後為20萬；國軍唯一有兵力優勢的戰場，就是南線戰場，奈何李、劉十餘萬大軍進攻十二天，就是無法擊潰當面王必成兩個半縱隊6萬人。而在10日黃子華投共後，12兵團防禦陣地瓦解，一切便都結束了。

當然，如果李延年、劉汝明、曹福林等人上下一心，奮勇作戰，是能解黃維之圍的，畢竟共軍的兵力分配使用也已達極限；只不過，他們救得了黃維12兵團，恐怕卻挽救不了杜聿明集團覆沒的命運，要救杜聿明，只有黃百韜兵團覆沒後，白崇禧立即命令張淦、宋希濂兩兵團六個軍北上馳援，這是國軍贏得徐蚌會戰最後的機會，在黃維深陷重圍後，即使白崇禧同意增援，也來不及了。

11日晚，雙堆集，第14軍軍長熊綬春陣亡，該軍覆沒；

12日，劉伯承、陳毅發佈《促黃維立即投降書》；

13日，粟裕、鄧小平、陳毅、劉伯承等決定由華野陳士榘集團擔負對雙堆集的主攻，中野部隊助攻。

12月15日黃昏，黃維、胡璉下令全線突圍，至當日深夜，黃維、第10軍軍長覃道善、18軍軍長楊伯濤、85軍軍長吳紹周被俘；胡璉背部負傷，戰車第1團2營正、副連長甘義三、周名琴駕駛坦克車狂奔至蒙城，次日上午，遇到18軍翟連運騎兵團，方得脫險；（注：1946年底宿北戰役後，胡璉總結共軍特長，認為共軍長于長途奔襲，與共軍作戰，偵察最為重要，因而組建騎兵團；每宿營時，均派騎兵團偵查周邊半徑50--100公里，雙堆集戰役時，該騎兵團在包圍圈外）；第10軍18師師長尹俊、75師副師長李樹蘭、第14軍副軍長谷炳奎各率一部殺出重圍；最為兇悍的，是第18師53團副團長張灥，竟然率領該團1000餘人殺出重圍。（注：18軍何竹本49師為12兵團後衛，雙堆集被圍時，該師在包圍圈外，時駐固鎮。）

黃維12兵團至此覆沒。