杜聿明的突围计划还来不及实施，1月2日24时，粟裕下达了总攻杜聿明集团的命令。
命令指出：为贯彻战役决心，乘敌人还未能得到充足粮食、弹药补给，且疲惫动摇恐慌之际，争取迅速解决该敌，全歼杜邱李匪部，以获淮海战役全胜，决首先分割攻歼13兵团残部，压缩对敌之包围圈，而后乘胜扩张战果，攻歼邱兵团残部。
粟裕的作战命令明确指出了各纵的作战任务和行动方向，以及各纵协同中应注意的问题，同时赋予了各攻击集团领导人根据敌情制定行动部署的权力。
1月6日，华野我军的总攻便开始了。
国民党李弥兵团第9军军长黄淑在回忆我军总攻时的情况时说：“元月6日起，解放军发起全面总攻，炮火之猛烈为前所未有，青龙集被轰成一片火海，尸横遍野。第9军之青龙集、大小李庄外围据点全被解放军所拔除，师、团长亲自率队出击亦无法夺回原有阵地。解放军以坑道作业接近军、师指挥中心，杜、邱、李在此紧急情况下，不得不将突围计划提前实施。”
1月7日，杜聿明慌忙部署突围。据敌第9军军长黄淑回忆：杜聿明鉴于元月6日以前作战的教训，乃将突围攻击任务交由两个兵团轮流担任。
第一天，邱兵团由张庙堂（邱兵团第5军第200师周朗所占领的阵地）之线，向解放军阵地进攻，李兵团在后掩护。李弥命令第8军及第115军（系在包围圈临时编组成的，军长司元恺，归第13兵团战斗序列）在大荒村等地担任掩护，第9军移至张庙堂附近准备邱兵团突围奏效后接替第5军阵地。
第二天，第9军越过邱兵团8日所攻占之阵地继续向解放军攻击，如此更替跃进。杜、邱、李认为这样部署避免了两个兵团之间的矛盾。
李弥根据杜聿明的部署，下达了13兵团准备突围、转移阵地的部署和作战命令：“第13兵团7日转移阵地，8日作攻击准备，9日开始突围。各军编成突击队攻击前进时，第1日由第9军、第2日由第64军、第3日由第8军、第4日由第115军担任攻击任务，轮番攻击互相掩护前进。”
然而，李弥兵团是华野我军决定寻歼的首要目标。在我军的强大攻势下，李弥感到末路来临，突围部署尚未实施就开始逃窜。至上午9时，其在陈阁、马庄等8个村庄阵地在华野我军的强大攻势下被迫弃守，驻守阵地的官兵仓皇向西、向南逃窜。
按照部署于黄昏时转移阵地的官兵也只顾逃命，纷纷逃窜到邱清泉兵团防区。
据敌第2兵团、第13兵团将领的回忆，杜聿明于1月7日部署突围，然而1月8日、9日两个兵团根本没有实施突围部署的具体行动。
两个兵团的敌军拥挤在第2兵团的狭小地区，而兵团司令官和杜聿明则思考着如何逃命。
1月9日黄昏时分，杜聿明与邱清泉到陈官庄第5军司令部，命令指挥部直属部队及战车等部队，在陈官庄以西集结，归副参谋长文强指挥，还幻想10日在空军放毒掩护下，实行突围。
杜聿明和邱清泉一到陈官庄，解放军的炮弹也跟踪追来，他们赶紧躲到掩蔽部去。李弥及第5军军长熊笑三随后也来了，他们都要求杜聿明在当晚作夜间突围，但杜聿明仍主张照蒋指示，在10日上午白天突围。
李弥、邱清泉和熊笑三三人都不同意杜的意见，认为白天突围无希望，且认为不能再等，力主当夜即行突围。杜聿明无法，便说：“如果你们要走的话，你们先走，我一个人在这里守到底，以免耽误了大家！”双方由商量发展到争论，直吵到晚上10时左右，熊笑三不高兴地走了。
熊笑三走出掩蔽部不久，一时四周机关枪、大炮、手榴弹之声大作，熊跑回来对杜说：“敌人已经打到司令部来了，要下决心突围，再迟了就出不去啦！”
杜聿明听到枪炮声只在一边响，知道是熊笑三有意弄把戏，迫他决定当夜突围，就说：“这是你们部队自己打的，你出去看看，为什么这样？”邱清泉明白杜聿明已看破了熊的诡计，就说：“笑三出去看看吧！”即与熊走了出去。他们出去不久，枪炮声就停了。
邱熊两人回来，再次要求必须当晚突围，杜执拗不过，只好说：“既然都这样主张，那就分头突围好了。”但李、邱、熊3人都要同杜聿明一道走。杜说：“这不是让敌人一网打尽吗！我们就这样走，如何对得起部下！赶快通知他们自找出路。”
当邱、李等人走后，杜聿明向蒋介石发出最后一次电报说：“各部队已混乱，无法维持到明天，只有当夜分头突围。”并通知文强将直属部队及战车集合待命。
当蒋军首脑纷纷作鸟兽散时，解放军已以猛打、猛冲、猛攻的动作，迅速插入蒋军中心阵地，迫使敌人无法再行调整一切，于是被俘的被俘，逃跑的逃跑，乱作一团了。
到午夜12时左右，李弥的13兵团已全部崩溃，青龙集、鲁老家、朱楼集等地，均被解放军攻占了。残余溃兵，均涌入第2兵团阵地。
在第2兵团阵地上的74军军长邱维达，这时突然接到兵团司令邱清泉的电话：“李弥兵团垮了，共军已占领投掷场，请你注意！杜聿明已到黄庄户准备突走，我不能统一指挥了，请你自决。”从此之后，电话再不通了。
邱维达立刻召集51师师长王梦庚，58师师长王奎昌，参谋长江崇林等人，欲决定突围部署，但当时情况已十分紧急，溃兵乱作一团，要作有计划的突围已经不可能了，只能匆匆规定于深夜2时突围，集合目的地是阜阳。
届时，邱维达本人跟着51师主力由刘集向西南方向突去，但刚走出战壕，就受到当面解放军密集火力的阻击，51师师长王梦庚当场中弹毙命，军队无人掌握，即时溃乱了。至天明，战斗结束，邱维达本人也作了俘虏。
再说由“剿总”副参谋长文强指挥的一路，于12时接到杜聿明的最后一次电话，要他们到第5军军部随他一起行动。可是，等到他们在炮火中赶到第5军军部所在地时，杜聿明和邱清泉等人，连踪影都不见了，只见杜的机要秘书冯石如从公文包中取出机密文件，慌慌张张地赶快加以烧毁。
群龙无首，大势已去，各自逃生，部队溃散。文强等人也追随于乱军之后向着东南角逃奔。
由于解放军全体指战员的英勇奋战，至1月10日上午9时，徐州“剿总”杜聿明所部基本上被歼灭，只剩残部万余人退守在陈庄西南刘集圩里，仍在抵抗。
解放军的大炮正从四面八方向刘集圩里轰击，浓烟滚滚，尘土冲天。
国民党军中将副参谋长文强成了俘虏。
邱清泉兵团的参谋长李汉萍成了俘虏。
外号“杀人魔鬼”的第2兵团司令邱清泉被击毙。
第2兵团的第5军军长熊笑三，同负伤的第71军军长高吉人、副军长唐化南等人，化装成伤兵逃出包围圈，最后逃到了上海。
第13兵团司令李弥从陈庄5军掩蔽部出来后，眼见自己兵团阵地已经全垮了，自己成了光杆司令，乃夹在乱军之中，化装逃出包围圈。后来，于1月底逃到了青岛。
李弥兵团的第8军军长周开成，第9军军长黄淑、参谋长殿隆筠，第115军军长司元恺等人，都夹在乱军中逃跑，最后都一一作了俘虏。
敌人的总指挥杜聿明带着副官、卫士13人，先向西走出村庄，再转向东北，沿途见枪声渐停，四面沉寂，便钻入壕沟里隐蔽起来。副官尹东生还给杜聿明剃去了小胡子，换上普通士兵的服装，并说：“留得青山在，不怕没柴烧。”
然而，化妆后的杜聿明仍然没有逃出华野的追捕，也被俘了。