济南战役后，敌徐州“剿总”刘峙集团开始收缩兵力，至十月底，其四个兵团、四个绥靖区、二十五个军，约六十万人的兵力，分布在以徐州为中心的陇海和津浦两条铁路线上，企图阻止我军南下，以屏障南京。其部署是：第7兵团（黄百韬）在新安镇地区；第13 兵团（李弥）在徐州以东地区；第2兵团（邱清泉）在黄口、砀山地区‘第16兵团（孙元良）由郑州撤往蒙城；第9绥靖区（李延年）在海州；第3绥靖区（冯治安）在韩庄、台儿庄地区；第4绥靖区（刘汝明）在商邱；第1绥靖区（周岩）在淮阴。这一部署的特点是，重兵密集，便于机动，增援迅速。
     九月二十五日，中央军委批准华东野战军进行淮海战役的建议。十月十一日，毛泽东提出了关于淮海战役的作战方针，要求华东野战军，第一步集中兵力，歼灭第7兵团，完成中间突破；第二步歼灭海州、连云港地区之敌；第三步在两淮地区作呀。并要求中原野战军主力部署攻击陇海路郑徐段，牵制第16兵团不使其东调，配合华东野战军作战。为了全歼第7后团，并迷惑敌军，使其不能迅速判明我军的主攻目标，毛泽东根据敌军部署特点，进一步指示华东野战军要用一半以上兵力担任牵制、阻击任务，并从南北两面及西面威逼徐州。这样就能达到争取较多时间，全歼第7兵团。 十月中旬，中原野战军派第2纵队向江汉、第6纵队向宛西行动，吸引白崇禧主力第3兵团（张淦）向南，第12兵团（黄维）向西，以配合郑州战役。十月二十日我中原野战军主力四个纵队发起郑州战役，这时，敌主力第16兵团（孙元良）已向东撤走，残敌万余人被歼，郑州、开封很快解放。此时中原野战军主力已能够机动使用于东线。根据全国战局的发展和中原、华东战场的敌情变化，十一月一日，中央军委确定由陈毅、邓小平统一指挥中原野战军与华东野战军进行淮海战役。这样，我军能够参战的部队，计有华东野战军十五个步兵纵队、一个特种兵纵队，中原野战军七个纵队，加上地方部队，共有六十多万人。
辽沈战役后，蒋介石害怕徐州之敌重蹈卫立煌集团全军被歼之覆辙，为确保徐州，巩固江淮，以屏障南京，于十一月四日，决定将刘峙集团主力收缩到津浦路徐蚌段两侧守备，企图以徐蚌段为轴心，各机动兵团分布在该段两侧地区，以攻势防御阻击我军南下，必要时撤到淮南，确保南京，并于六日按此计划调整部署。同时，调华中“剿总”所属之第12兵团至太和、阜阳地区，相机东援。
     根据中央军委首先歼灭第7兵团，切断津浦路徐蚌段，孤立徐州的计划，华东野战军决以七个纵队分割围歼第7兵团于新安镇、阿湖地区；以八个纵队担任阻缓任务，其中以三个纵队南北对进，牵制、阻击第13兵团东援，割裂第7、第13两兵团之联系以山东兵团指挥三个纵队歼灭第3绥靖区之敌或促其起义，尔后；渡过运河，直插徐州以东，以牵制敌第13兵团，阻击徐州之敌东援，以两个纵队（战役初期归中原野战军指挥）从西北面威胁徐州。中原野战军主力四个纵队由睢县、柘城地区东进，求歼商邱地区之敌第4绥靖区，尔后攻占宿县，切断津浦路徐蚌段，完成对徐州的战略包围，并调第2、第6纵队至淮海战场阻击敌第12兵团。
华东野战军按计划于六日夜间发起淮海战役，各部队向预定目标开进，发现敌人正在收缩，当即转入追击。敌第7兵团因等海州第44军西撤，推迟至七日西开，而第13兵团已按计划离开徐东，准备调往灵壁。十一月八日，敌第3绥靖区副司令张克侠、何基沣率三个半师起义，我山东兵团顺利地南渡运河，越过该部防区，直插徐州以东地区。刘峙发现我军多路向徐州逼近，判断我将东西夹击徐州，十分恐慌，当即改变原来撤至徐蚌两侧的计划，决定调第2、第13、第16三个兵团，星夜向徐州集中，坚守徐州。
同时，蒋介石决定调杜聿明回徐州“剿总”任副总司令，并以李延年率第9绥靖区机关在蚌埠组建第6兵团，第4绥靖区改为第8兵团，与第6兵团协同动作，沿津浦路两侧向宿县推进，并担任固镇、宿县之间的守备。中央军委根据战场形势的变化，于九日夜间，要求华东、中原野战军“应极力争取在徐州附近歼灭敌人主力，勿使南窜”，定下了全歼敌刘峙集团于徐州地区的决心。十一月十日，山东兵团主力歼灭了第7兵团西撤的先头师，切断了该敌的退路，十一日华东野战军将敌第7兵团合围于碾庄地区。为全歼第7兵团，我军调整了部署，华东野战军以山东兵团挨近第4、第6、第8、第9、第13纵队及特纵炮兵大部攻歼敌第7兵团，以第7、第10、第11纵队阻击徐州东援之敌，由东南面逼近徐州，侧击东援之敌，以第1纵队为预备队；陈毅、邓小平当即指挥中原野战军主力及华东野战军第3和两广纵队转入徐蚌段作战，其中以第4纵队、华东野战军第3纵队和两广纵队由西南面、冀鲁豫军区两个独立旅由西北面威胁徐州，以第3纵队及第9纵队一部攻击宿县，第9纵队主力南下阻击敌第6、第8兵团北援，第1纵队为预备队。
十一月十五日夜，中原野战军攻占宿县，歼敌一个师，切断了敌徐州与蚌埠间的联系，完成了对徐州的战略包围。
党中央考虑到此役是南线空前的大战役，战役的胜利，不但长江以北局面大定，即全国局面亦可基本上解决。因此十六日决定，由刘伯承、陈毅、邓小平、粟裕、谭震林组成淮海战役总前委，以刘伯承、陈毅、邓小平为常委，邓小平为书记，统筹华东、中原及冀鲁豫地区前后方的一切事宜。十一月十二日，我军对敌第7兵团展开猛攻，二十日攻占碾庄，二十二日全歼第7兵团，击毙贡百韬。徐州东援之敌遭我顽强阻击，每日只能前进一至二公里，由确山赶来增援的敌第12兵团十一个师，遭到中原野战军阻击，也只进到浍河以南的赵集附近。 
     敌第7兵团被歼后，蒋介石决定以徐州的第2、第16兵团，蚌埠的第6、第8兵团及第12兵团三路会攻宿县，企图打通徐蚌间的联系，把徐州之敌撤走，因此，敌第12兵团继续向徐州方向推进。总前委决房集中中原野战军全部围歼敌第12兵团，华东野战军组成北、南两个作战集团分别阻击徐州、蚌埠之敌，并以一部作为中原战军围歼敌第12兵团的预备队。十一月二十五日，敌第12兵团十二万人被我中原野战军七个纵队包围在宿县西南之双堆集地区。
敌第12兵团被围后，蒋介石见其突围不成，徐州、蚌埠增援无望，遂一面令刘峙到蚌埠督令第6、第8兵团再次北援，一面令杜聿明率第2、第13、第16兵团放弃徐州，绕道永城南下，企图侧击我中原野战军。解第12兵团之围后共同南逃。毛泽东对徐州敌军柯能突围早有预见，并指示华东野战军预作准备。十一月三十日，徐州杜聿明集团约三十万人，向永城方向逃窜。我华东野战军即以十一个纵队全力追击，十二月四日，将该敌全部包围在永城东北之陈官庄地区。六日，第16兵团自行突围，被我消灭。第2、第13两兵团即就地转入防御。 
     我军同时包围了敌两个集团，蚌埠之敌仍企图北上救援。总前委采取了“吃一个（黄维），挟一个（杜聿明），看一个（李延年、刘汝明）”的方针，以中原野战军六个纵队及华东野战军各一个纵队阻击由蚌埠再次北援之敌第6兵团，以华东野战军两个纵队为总预备队。十二日我军对敌第
     12兵团发起总攻，至十五日将敌全歼，生俘黄维。敌第6兵团北援被阻，当获悉第12兵团被歼后，连夜逃回蚌埠。
此时，平津战役已经胜利展开，为了不使蒋介石迅速决策海运平津诸敌南下，中央军委，对杜聿明集团暂缓攻击。着淮海前线全军进行战场休整，并对敌军开展政治攻势，做好攻击准备。十二月十七日，毛泽东写了“敦促杜聿明等投降书”。但杜聿明等拒绝投降。十二月下旬，东北野战军和华北军区第2、第3兵团已将傅作义集团分割包围在平津、平张线上。华东我军遂于一月六日对杜聿明集团发起总攻，至十日将敌全歼，生浮杜聿明，击毙邱清泉，淮海战投胜利结束。
      淮海战役历时六十六天，歼灭了国民党在华东、中原战场的五十六个师五十五万人，使敌人的长江防线和统治中心京、沪地区，直接暴露在我军面前。 淮海战役结束后，淮河以南的敌人仓惶南逃。华东野战军第6、第7、第8、第13纵队分路南下，解放了江淮间广大地区，前出到长江北岸，为尔后渡江作战创造了条件。