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各攻擊部隊根據這一指示，加強近迫作業把交通壕儘可能延伸到敵人的陣地前沿，針對選好的攻擊點，集中兵力兵器，一鼓作氣壓向敵人，往往取得成功。依靠這種穩步前進的戰術，提高了殲敵效果，減少了自己的傷亡。11月10日，在南集團的強大打擊下，敵人第八十五軍第二十三師殘餘部隊在該師師長黃子華率領下投城。敵人軍心更加動遙12月12日，劉伯承、陳毅以中原野戰軍、華東野戰軍司令員的名義，發出《促黃維立即投降書》。向黃維指出：“現在你所屬的四個軍，業已大部被殲。八十五軍除軍部少數人員外，已全部覆滅。十四軍所剩不過2000人。十軍業已被殲三分之二以上。就是你所最後依靠的精銳十八軍，亦已被殲過半。你的整個兵團全部殲滅，只是幾天的事。而你們希望的援兵孫元良兵團，業已全殲。邱清泉、李彌兩兵團業己陷入重圍，損失慘重，自身難保，必遭殲滅。李延年兵團被我軍阻擊，尚在80裡以外，寸步難移，傷亡慘重。
在這種情況下，你本人和你的部屬，再作絕望的抵抗，不但沒有絲毫出路，只能在人民解放軍的強烈炮火下完全毀滅。貴官身為兵團司令，應愛惜部屬的生命，立即放下武器，不再讓你的官兵作無謂犧牲，如果你接受我們這一最後警告，請即決策。”這個文告，透過電臺廣播和喊話筒傳播，反覆傳到敵人的耳中，進一步引起了敵人的驚恐和絕望。
由於黃維拒絕投降，劉伯承、陳毅、鄧小平決定予以徹底殲滅。12月13日，他們調整了部署，以華東野戰軍第三縱隊和第十三縱隊加入南集團作戰，把作戰重點改以南集團為主，由華東野戰軍參謀長陳士榘統一指揮，結合東西兩集團，直搗敵指揮中心雙堆集核心陣地。14日，攻擊部隊四面多路會攻雙堆集東側敵核心據點——野戰集團工事。這裡距黃維兵團部僅有兩裡，是黃維兵團部的重要屏障。黃維指派號稱“威武團”的第十軍第十八師第五十四團據守。突擊開始前，上百門火炮齊射，炮彈和飛雷傾瀉在敵人陣地上，使敵人苦心經營的野戰集團工事大部被摧毀，守敵非死即傷。中原野戰軍第六縱隊第十七旅第四十九團“襄陽登城第一營”和華東野戰軍第三縱隊第八師第二十三團“洛陽營”，分別從南面和東面突破敵人陣地。黃維急派其警衛團趕來增援，但已無法抵擋，一陣激戰之後，僅剩百餘人狼狽逃回。
黃維見大勢已去，於12月15日下午決定進行最後的突圍。他命令所有殘餘部隊“四面開弓，全線反撲，覓縫鑽隙，衝出重圍”，實際上是讓官兵四散逃命。黃維、胡璉、吳紹周各搭乘一輛坦克突圍。黃昏，攻擊部隊乘敵人慌亂突圍之機，分多路向雙堆集實行穿插和割裂，終於將黃維兵團殘餘部隊一一殲滅。黃維、吳紹周被生俘，只胡璉僥倖逃脫。至此，圍殲黃維兵團的作戰勝利結束。計殲敵1個兵團部、4個軍部、11個整師和1個快速縱隊，共10萬餘人，繳獲武器彈藥一大批。
12月12日，毛澤東來電，請劉伯承在黃維兵團殲滅後，到中央商談戰略方針。要求劉、陳、鄧、粟、譚五人開一次總前委會議，商好在邱、李殲滅後的休整計劃，下一步作戰計劃及將來渡江作戰計劃，以總前委意見帶到中共中央。據此，劉伯承、陳毅、鄧小平於17日趕赴設在肖縣西南蔡窪的華東野戰軍指揮部。粟裕一見到劉伯承，就感慨地說：“我們17年沒有見面了！”
他倆從1932年在紅軍學校分手算起，至今正好有17個年頭了。隨後，大家回憶起長征與南方三年游擊戰爭的經歷，又談到當前淮海戰場的勝利及今後向全國的大進軍，氣氛越來越熱烈。然後，五人正式開會，按照中共中央軍委和毛澤東的指示，商定了一系列的計劃。會後，劉伯承、陳毅動身北上趕赴西柏坡。
經過華東野戰軍的英勇作戰，杜聿明集團也在1949年1月10日被全殲。
至此，聲勢浩大的淮海戰役勝利結束，人民解放軍華東、中原兩大野戰軍協力殲滅了同民黨精銳主力5個兵團，22個軍，56個師，共55。5萬餘人，解放了長江以北廣大地區。人民解放戰爭取得了決定性的勝利。
戰後，劉伯承在為中原野戰軍《雙堆集殲滅戰初步總結》的題詞中指出：“淮海戰役乃毛澤東軍事學說中各個殲滅黃百韜、黃維、杜聿明三軍的範例，而雙堆集殲滅黃繼軍一戰，則乃承先啟後的關鍵。由於我在津浦兩側從黃維的外翼開始圍攻，而杜聿明軍則欲從徐州西南拊我外翼，以與