双堆集已经被包围十多天了，处于天寒地冻之中的黄维兵团境况越来越糟。胡琏这只“刺猬”非但未能把他的刺竖起来，反而因为二十三师的投诚而把黄维兵团的外层防御线敞开，内层阵地完全暴露。解放军在二十三师阵前投诚后，更有效地加强了阵地上的政治攻势，各种各样的攻心活动一天比一天活跃。加之我军的战壕作业一天天接近敌人阵地，双方大声喊话都可能听见。不说别的，单是我军广大指战员每天三餐时故意敲响的叮叮当当的碗筷声，喊出的“人是铁，饭是钢，一顿不吃心发慌，三天不吃见阎王”的快板，和放在阵地上一碗碗热气腾腾的米饭、馒头，都使得一批批黄维兵团的士兵拖枪投诚。
在这种情况下，黄维和胡琏频繁向蒋介石告急：“形势危急，如不再派援军，十二兵团将不复存在。”
蒋介石并没有放弃黄维，他一直都在想法将他的这支嫡系主力救出来。除了命令徐州、蚌埠地区由刘峙、杜聿明指挥的所有部队全力以赴向双堆集前进外，还说服了汉口的白崇禧，从属于华中“剿总”的宋希濂兵团即十四兵团中调出三个军向蚌埠开进，增援解救黄维兵团的力量。蒋介石甚至准备了不少船只，打算从华北地区海运若干部队来支援华东战场。可是，虽然蒋介石把宋希濂叫到南京当面做了交代，当宋希濂回到鄂西把部队集合好，调到了汉口，备好了船只，三个军陆续上了船后，白崇禧突然翻脸，命令船只不准起航，三个军全部下船，返回驻地。蒋介石得知此事，在电话中先是劝说白崇禧顾全大局，继而指责白崇禧不顾大局，最后变成相互对骂。结果，是以蒋介石将电话机摔得粉碎而告终。当然，宋希濂的三个军未能出动一兵一卒。
面对被包围的黄维兵团，我淮海前线总前委并未急于发动总攻，而是决定用稳扎稳打的办法逐步推进，一方面把战壕作业不断前伸、不断完善，一方面一块一块地吃掉敌人的一些阵地和有生力量，同时也是还要困敌人一段时间，让黄维兵团的困境继续恶化，战斗力不断降低。当然要做到这一点也并不容易，一是要用很大力量阻击徐州方面前来援救黄维兵团的杜聿明集团和从蚌埠方面前来援救黄维兵团的李延年兵团、刘汝明兵团，二是要严防包围圈中的黄维和胡琏狗急跳墙，做拼死突围。用刘伯承的话说，“这好比一个胃口很大的人上了酒席，嘴里吃一块，筷子上夹一块，眼睛又盯着碗里的一块。现在我们是要吃一个（指黄维兵团），夹一个（指杜聿明集团），又要看一个（指李延年、刘汝明两兵团）”。
就在我军对黄维兵团包围、蚕食了整整10天，在已经做了充分的准备之后，12月5日，总前委才向各纵队下达了对敌人发动总攻的命令：
甲：从明午后四时半起，开始全线对敌总攻击，不得以任何理由再事推迟。
乙：陈谢集团务歼沈庄、张围子、张庄地区之敌；锡联集团务歼三官庙、马围子、玉皇庙、许庄地区之敌；王杜集团务歼双堆集以南玉皇庙、赵庄及以西前周庄、周庄、宋庄之敌，并各控制上述地区，然后总攻双堆集，全歼敌人。
丙：总攻战斗发起后，应进行连续攻击，直到达成上述任务为止，不得停止或请求推迟。
丁：各部不惜最大牺牲，保证完成任务，并须及时自动地协助友部争取胜利。
戊：对于临阵动摇、贻误战机的分子，各兵团各纵队首长有执行严格纪律之权，不得姑息。
以这样严厉的口气发布作战命令，在刘、邓多年作战中是不多见的。据有关同志回忆，这道命令乃是出自于邓小平之手。邓小平所以会以这样严厉的口气发布命令，是由于这场大战实在太重要了，也太困难了，不能有一丝一毫的松懈，也不能有一尺一寸的退缩。
根据总前委的命令，在长达17公里的包围圈上，全线进攻在12月6日下午4时30分准时开始。
命令中的陈谢集团，就是由中野四纵司令员陈赓和政委谢富治统一指挥的东集团，包括中野四纵、秦基伟的中野九纵、王秉璋的中野十一纵，和豫皖苏独立旅、华野特纵炮兵一部，他们所负责的攻击方向是包围圈的东部和东北部。
命令中的锡联集团，就是由中野三纵司令员陈锡联统一指挥的西集团，包括中野三纵、杨勇的中野一纵、周志坚的华野十三纵、华野特纵炮兵一部，他们所负责的攻击方向是包围圈的西部和西北部。
命令中的王杜集团，就是由中野六纵司令员王近山和政委杜义德统一指挥的南集团，包括中野六纵、成钧的华野七纵、陕南十二旅，他们的攻击方向是包围圈的南部。12月13日，孙继先的华野三纵也奉命赶到，加入了东南一线的攻击。
就这样，我中野、华野两大野战军的九个主力纵队向黄维兵团的三个军发动了全面攻击。黄维兵团本来是四个军，第八十五军由于廖运周师起义、黄子华师投诚，已经只剩下一个无兵的空壳司令部，不起任何作用了。
虽然我军向敌人发起了全面进攻，但根据战场上具体情况，我军并未采取猛打猛冲的战术，为了尽可能地避开敌人的强大火力，减少牺牲，仍然是在原来战壕作业的基础上实行逼近猛打，一块一块地消灭敌人。我军的指战员把这种战术叫做“剥皮战”，就是一层一层地把敌人的皮剥掉，最后来割心挖肺。为了能最有效地“剥皮”，广大指战员还创造了不少新方法，例如“飞雷”就是其中的一例。
对于我中原野战军来说，最缺是重武器，这就显得对付黄维兵团这样的密集型兵力防守阵地缺乏杀伤力。在战斗实践中，中野四纵十一旅工兵连的副排长高文魁试探着搞出一种炸药发射筒，就是在汽油桶外边箍上几道钢圈，里边装上炸药包发射出去，一次可以发射好几十公斤，虽然距离不可能远，但对于战时的对敌距离已经完全够用。几十公斤炸药飞到哪里，哪里就会发生强烈爆炸，连地面上都会炸出寸把宽的口子。当时敌人修筑的所有工事、地堡都是土木结构而不是钢筋混凝土结构，所以只要这种炸药包飞过去一炸，立即开花，几十米以内的敌人也都会全部杀死，很难有一个幸免的。在攻打张围子的时候，高文魁和他的战友们曾经制造了这种炸药发射筒80多个，一共发射了1700多公斤炸药，把敌十四军都炸懵了，以为是解放军从苏联得到了什么先进的新式武器，连胡琏到前线阵地上视察时，听到一声声巨响，也以为是天上在打雷。这种自制武器很快就受到了大家的喜爱，各部队纷纷仿制，并给它取了一个好听的名字——飞雷。当时我们后方制造炸药的能力很强，几年来攻城破堡都是以炸药包为主要手段，而汽油桶在当时的战场上敌人又大量遗弃。这样，飞雷这玩意儿很快就在战场上普遍使用了起来。
就这样，我军战士们喊着“打下黄维，直捣南京，解放全中国”的口号，利用不断向前延伸的战壕，解决了敌人盘踞的一个一个村庄：李围子、李土楼、小李庄、小周庄、宋庄、东马围子、西马围子……敌人所盘踞的地盘一天天缩小。当地的老百姓有一个形象的比喻：黄维刚来时所占有的地盘，相当于双堆集的区长，不久就变成了乡长，再后来则成了村长。
当然，敌人困兽犹斗，战斗仍然打得很艰苦，每一次战斗，我军都付出了不小的代价。为了攻占小李庄，我陕南十二旅和敌人第十军反复争夺了十多次，消灭了敌人1000多人，但是陕南十二旅三十五团一营的200多名官兵最后仅剩下了40多人。
在一个名叫张围子的小村庄，中野九纵在秦基伟的指挥下和敌人的王牌十八军更是打了一场罕见的恶仗。
守卫张围子的是十八军一一八师的三五三团，这是一个号称“青年团”的国民党军王牌军中的王牌团，无论是装备还是战斗力，在国民党军队中都算是一流的。九纵连续攻了三次都未能得手，胡琏听到消息之后十分得意，夸奖三五三团“不愧为我十八军的英雄好汉，不愧你们‘青年团’的光荣称号”。于是，三五三团的团长陆秀山更为得意了。
但是，他不知道，这时秦基伟已经亲自来到了前沿阵地，而且秦基伟在前沿阵地上接到了邓小平的电话：“无论如何要把张围子打下来，有什么困难可以跟陈赓提出来，千万别窝在心里。”
秦基伟仔细观察了阵地上的情况之后，重新调整了兵力：他调上来七十六和七十八两个团，亲自指挥部队从两个方向同时进攻，在敌人顾此失彼之际，命令部队打近战，逼拢敌人拼刺刀，让敌人的火力优势发挥不出来。这一招果然见效，陆秀山抵不住了，只好向胡琏叫苦求援。
胡琏在电话中得知他的王牌团队实在无法招架，即将被全部消灭之时，竟然丧心病狂地下令炮兵集中火力向张围子猛轰，将他的三五三团和我九纵攻进去的部队全部淹没在了一片火海之中，双方部队在张围子没有一个活着出来。
就在我军发起全面强攻的第二天，黄维和胡琏就知道发生了什么情况：两军相持的10天已经过去了，解放军对他们的情况已经熟悉了，总攻已经开始了。蒋介石给他们的“坚守待援”任务他们已经完成了一半，可是援军却一点希望都没有，因为他们已经清楚地了解，杜聿明集团不仅不能前来援救，连自己也又成了包围圈中人。李延年和刘汝明的援军同样遭到了被阻击、被包围的命运。这样下去，要不了多久，三个集团都难以保存下去。黄维心中是一片追悔和失望，胡琏毕竟要年轻一些，还想做最后一搏，他不愿就此在包围圈中束手待毙，而想要拼死突围，或许还能有一线生机。但是，蒋介石给他们的命令是坚守待援。这几天中，凡是身处危机、面临消灭的国民党军队的高级将领往往都会得到从空中丢下来的蒋介石的亲笔信，他们这两位重要的天子门生当然也是少不了的，信中对他们的要求仍然是坚守待援。胡琏决定亲自去面见蒋介石，要求批准突围。当他把这一打算告诉黄维时，他未能想到，黄维不仅劝他立即动身，还要他去了就不要再回来了，因为黄维要比胡琏想得远一点，万一自己完蛋了，总还得有一个十二兵团的负责人来为十二兵团料理善后。黄维对他的这位老部下说出了肺腑之言：“伯玉（胡琏字伯玉），你去了之后就不要再来了。我们已陷危局，前途难卜，生死也难预料。为了与共匪长期作战，人才要紧。千军易得，一将难求。即便我们有一天全部罹难，你还可以重振队伍，恢复旧观。”十分感动的胡琏立即离去，从那个专为他修筑的小机场上起飞了。这一天是12月7日。
蒋介石未想到胡琏竟然会在这时冒险飞回南京，他决定亲自宴请胡琏，并让参谋总长顾祝同、参谋次长林蔚、空军副总司令王叔铭、华中“剿总”副总司令宋希濂陪同。陪同的还有这两年几乎与蒋介石形影不离的蒋经国。在这几人之中，王叔铭、宋希濂和被包围在徐州附近的黄维、杜聿明，都是黄埔一期的同学，在这时来谈论徐州战场，他们心中的确别有一番滋味。
胡琏向他的校长报告了战场上的具体情况，提出了突围的意见。当然，为了保证突围能有一线希望，他要求能从空中尽可能增加援助。蒋介石对战场上的情况是了解的，因为王叔铭曾多次飞往战场上空，向他做过多次报告。现在他的确已经没有任何可以确保能够挽救徐州战场上这几十万部队的能力，如果有的话，他早就用了。但是，他又必须做出最后的努力。在几经考虑之后，进餐的人终于听到了一句他们每个人都未能想到的话：“伯玉，为了你们突围成功，为了此战决胜，我将命令空军对‘共匪’阵地投放糜烂性毒气弹！不如此不足以消灭‘共匪’，不如此不足以改变形势，不如此我们就要亡党亡国！”听了蒋介石说出这样的话来，在座的高级将领们都默不作声。他们明白，使用糜烂性毒气弹是违反国际公约的，他们的校长竟然要出此下策，这不仅是孤注一掷，更是即将要“亡党亡国”的先兆。
同时进餐的人还有一点未能想到，进餐之后，蒋介石还在百忙之中特地安排了一场电影与他们同看。电影不是美国好莱坞的新片，而是在中国几乎是人人熟悉的描写那位在山河破碎时为国尽忠、被俘不屈、舍身成仁的著名英雄的故事《文天祥》。从电影开始到结束离去，蒋介石一直与学生们同看，但是，一直一言不发。因为，一切尽在不言中了。
12月9日，胡琏仍然乘着那架小飞机，飞回了双堆集。在飞机上，他有意让飞机多绕了几个圈子。他从空中清楚地看到，杜聿明集团和李延年、刘汝明兵团距他的十二兵团都不远。在相互之间所阻隔着的地带上，给他印象最深的，不是解放军的几十万大军，而是密如蛛网般的战壕和交通沟。在杜聿明集团周围，在十二兵团周围，这种壕沟是一圈一圈而又前后相通，有如蛛网状，这是难以突破的包围圈；在李延年和刘汝明兵团前面，这种壕沟则是一道一道而又前后相通，有如皱纹状，这是难以逾越的阻击线。在这些壕沟之中，无数的解放军官兵在穿梭般地忙碌着，运动着。当他的小飞机降低高度时，双堆集外面一层层壕沟中来往忙碌的情景就看得更清楚了，来往穿梭的人们把一层层包围圈似乎拉动了起来，在双堆集周围形成了一个巨大的旋涡，旋涡在不停地旋转，而旋涡的中心就是双堆集。