华野四纵、八纵沿铁路北侧向西直扑碾庄圩；一纵、六纵、九纵、鲁中南纵队从新安镇及其以西地区沿陇海铁路南侧向碾庄圩攻击前进；七纵、十纵、十三纵渡过不老河后，直插徐州东侧。
至10日晚，七纵占领大许家、黄集铁路一线；十纵进至徐州东北荆山铺、大庙、侯集，直逼徐州；十三纵已控制宿羊山，其先头部队还于10日下午抵达曹八集，并向逃过运河的敌一○○军的四十四师部队发起战斗。
敌四十四师部队在运河东岸损失惨重，逃过运河的部队在师长刘声鹤的率领下向徐州方向撤退。黄伯韬令一○○军在碾庄圩以西的贺台子守备，但四十四师师长认为自己在运河东岸吃了大亏，决定直接回徐州整补，于是继续西行，于10日下午赶到曹八集，与华野十三纵先头团相遇。
战斗从10日黄昏打响，至11日下午结束，十三纵三十八师全歼敌四十四师部队。曹八集战斗，华野十三纵切断了碾庄圩与徐州之间的陇海线，将黄伯韬与李弥两兵团分割开来。
11日，七纵、十纵、十三纵与由皂河北上的十一纵和江淮军区两个旅于徐州以东大庙、侯集地区会合，完全切断了黄伯韬兵团西退徐州的道路，并占领了阻击徐敌东援的有利阵地。
与此同时，二纵、十二纵和中野十一纵也从东南方向逼近徐州。华野将黄伯韬兵团4个军包围压缩在以碾庄圩为中心、南北约3公里、东西约6公里的地域内，粟裕实现了第一步包围黄伯韬兵团的目的。
蒋介石援救黄伯韬兵团的措施
10日晚上10时，刘峙电报蒋介石时称：“徐州以西之共军尚有强大力量，企图为牵制邱兵团，策应徐州以东兵团之作战。我军作战基本方针，应采取攻势防御，先巩固徐州，以有力部队行有限目标之机动攻击，策应黄伯韬兵团之作战，俾争取时间，然后集结兵力，击破一面之共军。”
1948年11月10日蒋介石给黄伯韬的“催命信”
刘峙10日晚上10时的电报还不及南京政府国防部10日下午对我军作出的判断。
徐州形势令蒋介石非常担心，上午召开会议作出决定后，下午蒋介石又主持会议。
会议开始后，先由国防部第二厅厅长侯腾报告战况，侯腾说：“共军华东野战军主力已占领贾汪，迫近运河以东地区，一部渡过不老河插进曹八集、薛家湖附近，截断了碾庄黄兵团的后路，共军中原野战军主力及华东野战军一部在徐州以西、黄口附近与邱兵团接触中。我军黄伯韬兵团主力及第四十四军已退过运河西岸在碾庄圩附近被围，在抢过运河桥时受共军火力封锁阻击，伤亡甚重。李延年本人已到徐州取得联系。第六十三军到达窑湾镇后，尚未渡过运河。西路邱兵团与共军接触后，且战且退，正由黄口向徐州转进中。孙元良兵团昨日已到宿县附近。刘汝明绥靖区的部队已到固镇以南，今日向蚌埠前进。判断敌人将以有力之一部牵制我军，主力有包围歼灭黄兵团之企图。”
侯腾在汇报完战况之后，又顺嘴说道：“目前徐州情况吃紧，南京后方秩序也极混乱，昨、今两天满街到处抢粮，警察袖手旁观，粮店大都关门不敢营业……”
侯腾的话还没有说完，蒋介石大发雷霆，指着侯腾的鼻子骂道：“你造谣！胡说！胡说！哪里有这回事！”
蒋介石一发脾气，众人吓得都不敢说话了，后来在蒋介石的催促下，第三厅厅长郭汝瑰提出了一个解救黄伯韬兵团的方案，其主要内容是：以黄伯韬兵团死守碾庄圩，第六十三军守窑湾镇待援；以李弥兵团附第七十二军守备徐州；以邱清泉兵团、孙元良兵团迅速东调，击破徐州、碾庄圩之间的解放军，以解黄兵团之围。
蒋介石听了郭汝瑰的方案后表示赞同，他反复强调说：“一定要解黄伯韬的围。”接着又问刚从东北葫芦岛回来的杜聿明：“光亭还有什么意见？”
杜聿明并不太赞同郭汝瑰的这一方案，他想了想说：“敌情和各兵团的实际情况我都不了解，到徐州后，向刘总司令请示，看如何可以抽调部队解黄伯韬之围。”
蒋介石说：“好！好！你到徐州，一定要解黄伯韬之围。我已经把飞机替你准备好了，你今晚就走。”
杜聿明在回忆飞抵徐州时的情景时说：“这时徐州总部非常混乱，刘峙、李树正对解放军的作战企图并无全面分析判断，只是被各方面的情况所迷惑，束手无策，我这时对于情况也极模糊，一时无法作具体判断和决心处置。”而从徐州“剿总”所绘制的“敌我态势图”来看，除徐州东南褚兰、八义集间尚无情况外，其他外围已陷入解放军的重重包围。杜聿明考虑很久后，觉得解放军的进攻总有主次之分，绝对不会到处都是主力，于是根据自己的经验，作出如下判断：
（1）华东共军目前还不是直接攻徐州，而是集中主力先消灭黄伯韬，以有力之一部打援；
（2）徐州以西黄口亘九里山以北至不老河北岸之共军，只有极少之一部，甚至是游击队，用以牵制国民党军，因之可以大胆地抽调兵力，以解黄伯韬兵团之围。
然而，刘峙和徐州“剿总”参谋长李树正对杜聿明的判断表示怀疑。杜聿明只好拨通邱清泉的电话，通过邱清泉了解情况，并令邱清泉迅速搜索清楚中原野战军的行动，判断中原野战军是否可能南下阻击黄维兵团。通过邱清泉了解情况后，杜聿明提出了两个方案。
第一案：以黄伯韬兵团坚守碾庄圩7至10天，以第十三兵团守备徐州，以第七十二军为总预备队，以第二兵团、第十六兵团会合第十二兵团先击破中野6个纵队，然后回师东向，击破华野，以解黄伯韬兵团之围。杜聿明提出这个方案的理由是，这一方案国民党军可从现有态势迅速攻击，并可集中绝对优势兵力（将近10个军，计：邱兵团3个半军、黄维兵团4个军、孙元良兵团两个军），以击破中野6个纵队。但此案能否实施，关键在于黄伯韬是否可以坚守一定时期。
第二案：以第十六兵团守备徐州，以第二兵团、第十三兵团之全力解黄伯韬兵团之围，同时令第十二兵团向徐州急进，以第七十二军为总预备队。杜聿明提出这一案的理由是，这一案可以安定黄伯韬部心理，稳扎稳打，徐州不受威胁。但如黄维兵团被中野牵制，不能及时到达徐州以东参加战斗，则感击破华野之兵力不足。
刘峙、李树正坚决反对杜聿明的第一方案，理由是：黄伯韬兵团不能久守，坐视黄伯韬兵团被歼，太冒险。杜聿明虽然认为这是战略决战的上策，但是万一黄伯韬兵团被歼，蒋介石追究责任时，自己难以逃避责任，故不敢坚持。
对于杜聿明的第二案，刘峙、李树正认为虽然符合蒋介石的命令，但对邱清泉兵团东调能否不受牵制，以及东调后解放军进攻徐州存很大疑虑。商议没有结果。于是决定将邱清泉召来徐州。
11月11日中午前后，邱清泉赶到徐州。商议后，刘峙决心将邱清泉第二兵团东调，协同李弥第十三兵团解黄伯韬兵团之围。当日下午，刘峙下达命令，要旨如下：
1中野主力与邱清泉兵团在黄口附近激战后，已向宿县、涡阳、蒙城间地区转移，华野主力已渡过运河及不老河将黄伯韬兵团包围于碾庄圩附近，正激战中；
2以击破华野主力解黄伯韬兵团之围为目的，即以有力之一部守备徐州既设工事，以主力展开于团山以西南北地区，以空、炮、战车掩护，迅速向碾庄圩攻击前进；
3着第十六兵团附第七十二军守备徐州机场、云龙山、九里山一带既设阵地，并特别注意徐州以西萧县及西南符离集方面之搜索警戒；
4着第二兵团（欠第七十四军附独立骑兵旅）、第十三兵团归前进指挥部指挥，展开于团山以西南北地区，迅速向碾庄圩攻击前进；
5着第七十四军为总预备队，控制于九里山附近；
6陆、空、炮、战车协同计划由前进指挥部拟定。
刘峙下达命令后，杜聿明令邱清泉兵团主力（第五、七军和第十二军之1个师）星夜向徐州东南张楼附近集结；令李弥兵团将徐州防务交给第十六兵团，向徐州以东东贺村附近集结。预定于12日集结完毕，13日开始以空、步、炮、战车联合向华野攻击。
此时，杜聿明主张寻求华野之一翼实行迂回包围击破后，再以主力向我军主力攻击，企图先声夺人，但苦于情况不明，无法决定。而刘峙又深恐主力远离徐州，反给我军以可乘之机，故坚决反对杜聿明的主张。
经过12日整整一天的观察了解：12日上午10时左右，空军侦察到渡过不老河之解放军有若干小部队陆续经曹八集南进；午后又发现有大部队通过曹八集、薛家湖等地南进。至黄昏，在徐州机场以东白楼附近发现我军后，杜聿明深深感到我军行动迅速，已威胁到徐州机场的安全，故不得不放弃一翼包围我军的战术，而实行正面攻坚。12日晚，杜聿明决心将主力展开于古山南北地区，于13日对华野实行攻击。
国民党第二兵团司令官邱清泉11日接受命令回到驻地，与参谋长李汉萍研究实施部署时，左右为难：一是怕增援黄伯韬，反被我军包围，不敢增援；二是与黄伯韬矛盾重重，不愿增援黄伯韬。但蒋介石命令甚严，又不能不增援。
于是，李汉萍向邱清泉提出了两个作战指导方案：第一案是占领潘塘镇、房村，实行大包围，攻击大许家、八义集。此案行动迅速，可以避坚不攻，但有被华野反包围的危险。第二案是先占领邓家楼、林佟山、分两路沿山向东攻击。此案行动迟缓，旷日持久，但可稳打稳扎，先可立于不败之地。
邱清泉经过权衡，决定采用第二案，既可以保存自己的实力，又应付了蒋介石的命令，遂作出如下部署：
（1）以第七十军（欠第三十二师）展开于邓家楼西侧地区，于13日拂晓后开始向邓家楼阵地猛烈攻击，奏效后，即沿山迅速向东攻击前进；
（2）以第五军展开于林佟山及其以北迄陇海路之线，主力沿林佟山，一部占陇海路南侧地区，左翼与第十三兵团取得联系，于第七十军开始攻击的同时，向东攻击前进；
（3）以第十二军在柳集占领阵地，掩护兵团右侧背安全，维持兵团与徐州之间的交通联络；
（4）以第七十军之第三十二师在霸王山占领阵地担任徐州西郊守备；
（5）独立骑兵第一旅在柳集南侧地区搜索敌情。
国民党第十三兵团司令官李弥11月9日置黄伯韬兵团于不顾，先行撤往徐州，撤到徐州后又接受11日杜聿明的命令，增援黄伯韬。李弥遂作出如下部署：
（1）决以1个军的主力担任攻击任务，于12日展开于安子村以西、南北之线，向碾庄圩方向攻击；
（2）以第八军主力第四十二师担任主攻任务，右翼与邱清泉兵团第五军联系，于12日展开于铁路以北的安子村以西、南北之线，沿徐海公路两侧地区攻击前进；
（3）以第九军第一六六师担任助攻，联系第八军于12日展开于胡庄附近地区，对当面华野阵地实施攻击，并以一部在不老河南岸占领掩护阵地，掩护兵团侧背安全；
（4）以第八军第一七○师占领荆山桥以东沿不老河南岸阵地，对不老河北岸严密警戒；
（5）兵团其他各部为第二线部队，并任徐州东郊守备。
从邱清泉和李弥这两个兵团增援黄伯韬的行动来看，只是例行公事，应付了事，其要旨还是加强徐州守备。
11月12日，邱清泉、李弥两兵团以4个军5个师的兵力，沿陇海路向碾庄圩方向攻击前进。
13日，蒋介石致电邱清泉：“党国存亡，在此一举，吾弟应发扬黄埔精神，为国家尽忠，为民族尽孝，不惜一切牺牲，将当面敌人击溃，以解黄兵团之围。”
同日，蒋介石又致电黄伯韬，要求“激励官兵，鼓起最后5分钟之精神，坚守待援”。
14日，蒋介石将第七绥靖区司令部（12日撤至蚌埠）改成第六兵团司令部，李延年任兵团司令官，指挥第九十六军、第九十九军和将从葫芦岛撤至蚌埠的第三十九军、第五十四军立即北上徐州。同时，令刘峙、杜聿明尽量减少徐州方面的守备部队，彻底集中兵力向东挺进，夹击华野，以求得最后胜利。
黄伯韬被围后的防守部署及办法
黄伯韬兵团被围困的碾庄圩地区，位于江苏邳县境内的运河西岸，陇海路北侧，地势平坦。因为历年河水泛滥，居民都将村庄地基筑高（高出二三米不等，居民称之为“台子”）。每个村庄由几个台子组成，台子之间是水塘、洼地。大部分村庄有围墙和外壕，村庄外是开阔地，李弥兵团原在这里驻防时，修筑了工事。
黄伯韬兵团被包围，并奉命固守待援后，黄伯韬的防御部署是：“（一）兵团司令部位于碾庄圩；（二）第二十五军占领碾庄圩以北小牙庄、尤家湖，向北防御；（三）第六十四军占领碾庄圩以东大垸上、吴庄，对东方防御；（四）第四十四军占领碾庄圩车站及车站以南各村庄。对南方防御；（五）第一○○军（缺第四十四师）位置于彭庄、贺台子，对西方防御；（六）各军炮兵集中使用。”
黄伯韬司令部所在的碾庄圩是一个约200户人口的小村庄，驻扎在这里的除兵团部、警卫营和配属之通信营、工兵营、战防炮营、重炮营、汽车大队、医疗队以外，还有各军的留守处和野炮营，人员马匹拥挤异常，街头巷尾密布汽车和救护车，许多单位露宿野外。村边空坪，不是这个军的弹药所，就是那个军的粮库，传令兵、伙夫、担架兵，满街乱窜，混乱之情形可见一斑。
然而，黄伯韬还是极力加强防御，利用村庄台地和原有工事，逐村设防，形成圆周形的野战防御阵地。以台子为依托，地堡群为核心，壕堑和交通沟纵横连贯，设置大量鹿砦，将每个村子构成具备独立防守能力的支撑点。在村与村之间也构筑地堡群，地堡群交叉火网组织严密，一旦圩子被突破，仍可在圩内固守待援，并能充分给攻击者以大量杀伤。
黄伯韬在加强防御工事的同时，也注意鼓舞士气。他一边视察部队，一边找团以上军官训话，要求部队树立固守待援的必胜信心。
第四十四军军长王泽璇的话似可反映黄伯韬的指示精神。王泽璇在部署时对属下说：“敌情有了变化，共军约五六个纵队，在围攻我第三绥靖区部队的同时，分股南下，截断了去徐州的通路。东线共军尾追我甚急，第六十三军情况不明，南侧也发现共军大部队向我迂回包围。委座顾虑我兵团在运动中为敌所乘，顷手令我兵团就碾庄圩地区编组坚固阵地，以决战防御姿态与徐州主力兵团遥相呼应，准备决战。如共军围攻徐州，我兵团即对攻徐之共军实行反包围；如共军主力向我兵团围攻，我徐州主力兵团即对敌实行反围攻，以收夹击之效。使徐州、碾庄圩两大据点战略上形成犄角之势。待共军粮弹缺乏，疲惫之余，我再猛击而歼灭之。”
黄伯韬的战术是以攻为守，在坚固阵地的同时，也常派部队出击，还间有俘获。
应当说，黄伯韬的防御部署在作战初期还是发挥了作用。1948年12月，华东野战军司令部撰写的《碾庄圩地区歼灭黄伯韬兵团野战村落攻坚战术经验教训总结》中，就曾这样写道：
