12月15日，整编第11师师长胡琏以宿新兵团前线指挥官的名义召开作战会议。会上，整编第69师师长戴之奇指责整编第11师进展缓慢；而胡琏则批评整编第69师轻举冒进，不够稳重。2个指挥官的矛盾，导致了而后战役发展过程中的互不配合。
15日黄昏，解放军各参战部队按预定计划进至集结位置，并立即发起攻击。第8师首先集中兵力，突击位于嶂山镇与晓店子之间的重要制高点峰山。峰山高50余米，山脚筑有能相互支援的独立集团工事，山顶构筑围寨，四周挖宽6米、深3米之外壕，壕外设置鹿砦、铁丝网等防御工事。守军为预备第3旅的1个加强营。
山东野战军第8师是一支擅长攻坚的部队。该师为了不误战机，经过连续6天急行军，在赶到战场的15日当晚，就集中第23、第24团，约5倍于敌的兵力，从西南、西北两面会攻峰山。
自西南进攻的第23团突击营第1营，连续组织3次强攻，一度突入山顶之外壕，由于沟深壕宽，在敌人密集火力下受到重大杀伤，进攻受阻。此时，天将拂晓，第1营副政治教导员考虑到峰山能否及时攻克，将直接影响整个战役的进程，立即组织全营仅存的40余名干部战士，冒着炽烈的敌火，组织第4次冲击。团指挥所也集中全部火炮和轻重机枪进行火力掩护。突击营选择较隐蔽的接敌地形，迅速排除鹿砦、铁丝网，跳进外壕，搭人梯爬上沟崖，在由西北方向进攻的第24团配合下，终于在拂晓前攻占峰山主阵地，全歼守军。
17日，国民党军集中第60旅和预3旅约2个团的兵力，在飞机、炮火掩护下向峰山进行多次反击，均被击溃。解放军控制了这一战场制高点，不仅割裂了据守宿新公路上嶂山镇、晓店子各部国民党军的联系，而且直接威胁路东各点国民党军的侧翼，为战役的顺利发展创造了有利条件。
为切断敌整编第11师与整编第69师的联系，我第1纵队于15日晚以第3旅主力自晓店子、井儿头之间入敌防御纵深，直逼整编第11师师部驻地曹家集地区，歼灭了该师的直属工兵营、骑兵营。这一行动极大震撼了该师指挥部，打乱了其进攻部署。次日拂晓，该旅因处境孤立，主动撤回晓店子以西地区。
在遭到解放军的突然打击后，国民党军徐州绥署副主任吴奇伟一面令整编第69师各部收缩兵力，固守各村落；一面令整编第11师北援策应。解放军以第1纵队第3旅在宿沭公路北侧的高家洼、蔡林一线构成对整编第11师的阻击正面；同时，以第1纵队主力，第2、第9纵队及第7、第8师，将整编第69师师部及第41、第60旅、预备第3旅分割包围于宿迁以东以北之人和圩、苗庄、罗庄、晓店子等地。
在解放军围攻整编第69师各部期间，整编第11师先后以1个至2个团的兵力向北增援，遭到第1纵队第3旅的顽强抗击。在增援不成的情况下，紧邻整编第69师师部人和圩南侧的整编第11师第18旅，不顾友邻安危，悄然后撤，为解放军围歼整编第69师师部提供了有利条件。国民党政府国防部战后评述：“此次整11师撤退，未能适时通报，以致影响整编第69师蒙受重大损失。”（国民党国防部：《绥靖第一年重要战役提要》）
解放军在坚决阻击援敌的同时，集中兵力，逐点攻歼已被分割包围的整编第69师各部。首先歼灭了晓店子、嶂山镇的预备第3旅，使整编第69师师部及所属第41、第60旅进一步陷于孤立。这些部队均处于由进攻仓促转入防御的状态，没有坚固的工事可资依托。虽拟固守待援，但战至18日，仍得不到友邻的有力支援。整编第69师师长戴之奇不得不发出最后一个指令：“解围之希望已断绝，余受友邻之欺”，令所属部队“速设法相机突围”。（转引自《宿北战役敌情资料汇编》）但为时已晚，各旅、团或就地、或在突围时先后就歼，中将师长戴之奇自杀，少将副师长饶少伟就俘。