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国民革命军第十二兵团的驰援徐州
11月23日，黄维为改变孤军深入的不利态势，急于渡过浍河与李延年、刘汝明兵团靠拢，在飞机、坦克支援下，分三路向南坪集猛攻。中野4纵顽强防守，鏖战了整整一天，天黑后才按计划放弃南坪集，退到徐家桥、朱口、伍家湖一线。这时，中野1纵、2纵、3纵、6纵、11纵、陕南12旅已分别到达郭家集、白沙集、孙町集、曹市集、胡沟集，形成袋状阵地，只等黄维兵团渡浍河时，就发起向心攻击，将其分割于浍河两岸。
而南坪集解放军的后撤，使黄维错误判断解放军已无力继续阻击，下令立即北渡浍河。11月24日，其先头部队已到达忠义集、东平集、杨庄一线，逐渐进入解放军的袋状阵地。但他随即发现两翼有解放军主力集结，知道不妙，遂命令已渡过浍河的部队迅速撤回。当日晚，该兵团又撤回南坪集地区。 11月26日，黄维兵团虽然被围，但毕竟是精锐之师，装备精良，训练有素，一边迅速构筑防御工事，一边与南京联络，顾祝同指示全力向东攻击，击破当面之敌，与李延年兵团会师。根据这一指示，黄维决定于次日集中四个主力师，乘解放军立足未稳，包围圈尚未严密，齐头并进向东南突围。
85军110师师长廖运周报告该师侦察人员已发现当面解放军的薄弱环节，可以乘隙取得突破。同时建议将齐头并进改为梯次行动，由110师为先锋，首先突击，其他三个师随后跟进。黄维采纳了这一建议。但是黄维不知道的是，廖运周是中共秘密党员，葬送了黄维的突围计划。当廖运周的110师在85军建制里随黄维兵团被合围在双堆集后，特别是在掌握了黄维的突围计划后，他立即派人设法与当面的解放军中野6纵联系，请求乘突围之际举行起义。刘伯承、邓小平批准了他的请求，规定了起义部队的行进道路和联络信号，并指示6纵做好接应起义和阻击黄维突围的准备。廖运周得到刘、邓批准后，考虑到突围时四个师齐头并进，110师被夹在中间不利于起义，为确保起义成功，这才向黄维提出了110师为先锋首先攻击的建议。
11月27日，廖运周率110师的两个团（另一个团被85军留作预备队）顺利通过解放军的阵地，向指定地点开进。当110师通过后，6纵立即封闭了通道。黄维以为110师突围成功，命令后续三个师沿110师的路线跟进，不料随即遭到解放军预伏火力的迎头痛击，尽管有飞机、坦克的支援，仍未能突围出去。为妥善安置110师的起义官兵，中野对该师的起义保密三天，更使黄维对110师的突围大惑不解。当得知110师的起义后，第12兵团士气大挫，军心动摇。刘峙在回忆录中认为廖运周的叛变，是黄维兵团失败的关键。
廖运周率部起义后，中野不失时机向黄维兵团猛攻，刘、邓一度估计可在两三天里解决战斗，然而实际情况并不乐观，黄维依靠优势火力，顽强防御。而中野由于前一时期，先是千里跃进大别山，一路上为行动迅速，将重武器几乎尽数丢弃；再是为巩固根据地，又抽调了一些部队充实到地方部队。这就导致人员、火力都大为不足。特别是炮兵严重不足，当时中野全军仅有75mm野炮两门，山炮四十二门，炮弹约两百发；迫击炮两百零七门，炮弹约两百五十发，每门炮平均只有一发炮弹。凭借如此少量的炮火根本无法压制住敌军火力，因而攻击难以奏效，无法达到迅速歼灭的目的。而黄维认为，如果就地防御，势必被困死，不如乘解放军包围圈尚未巩固之时，继续组织突围。因此在被围的最初几天，黄维每天以一到三个团不等的兵力，在飞机、坦克、大炮的支援下，不断向东南突围。
11月28日，黄维以18军的三个主力团，在十二辆坦克掩护下，向马小店强攻。在攻击前的火力准备中，发射的炮弹多达数千发，将村内的房屋和解放军的防御工事几乎尽数摧毁。但6纵17旅拼死抵抗，付出很大代价终将敌击退。当天顾祝同乘飞机飞临双堆集上空，命令黄维就地固守，站稳脚跟，并尽量扩大占领地区。蒋介石认为黄维兵团完全可以顶得住解放军的攻击，所以命令黄维死守待援。第12兵团的军、师长听到这一命令，想到黄百韬兵团覆没的下场，无不相顾失色。 12月1日，第12兵团副司令胡琏乘飞机在双堆集的临时机场降落，胡琏原任12兵团前身整编第18军军长，在整编军恢复兵团番号时，由于蒋介石、白崇禧、陈诚之间的派系矛盾，他没有顺理成章的成为兵团司令，而是由黄维出任司令，他只是担任副司令，失望之下，便称病告假。当12兵团陷入重围后，胡琏抛下名利之争，赶到双堆集，与旧日的部属同赴危难。由于胡琏精明干练，有丰富的作战经验，在他指挥下打仗总是胜多负少，所以在12兵团，有着较高的威望。他的到来一定程度上激励了部队的士气。
12月7日，黄维命胡琏乘飞机飞往南京，面见蒋介石汇报12兵团的近况，请求增加空投粮弹。临行前，黄维知道大势已去叮嘱胡琏不必再回双堆集。胡琏面见蒋介石后，表示12兵团许多军官战斗经验丰富，对党国忠心耿耿，如果被解放军围歼，即便使解放军付出数倍代价，也损失了一大批精华干部，所以建议下令突围。将介石接受这一建议，命令黄维毅然突围。胡琏在汇报结束后，又飞回双堆集协助指挥。 第18军是一支装备精良、训练有素的百战之师，为国民党军五大主力之一，而其118师33团更以凶狠著称，号称“老虎团”。该团全部是由战斗经验丰富的老兵组成，作战时罕遇对手，堪称王牌中的王牌。大王庄位于双堆集的南侧，屏护着黄维兵团的核心阵地。黄维把“老虎团”放在大王庄，希望这支“恶虎”能守住双堆集的南大门。
为歼灭“老虎团”、打开南大门，中野6纵46团和华野7纵57团两个主力团进攻大王庄，对这个极具战术价值的小村庄志在必得。在猛烈的炮火掩护下，我第一攻击梯队的3个营勇猛冲杀，迅速突入大王庄，和“老虎团”杀在了一起。近战夜战本是我军的拿手好戏，但对于屡经恶战的“老虎团”来说，面对面的厮杀他们也毫不含糊。在几乎成为一片废墟的大王庄内，“老虎团”和我军展开了逐街逐屋的争夺战。机枪、冲锋枪、手榴弹、枪榴弹、火箭筒、火焰喷射器以及六○迫击炮等近战武器全用上了。双方的重炮炮弹雨点般地落在这个小村庄里。人的断肢残体连同泥沙石块—起飞上了天空，空中弥漫着呛人的硝烟味和令人作呕的血腥味、焦糊味。整个大王庄就像狂风恶浪上的一叶小舟，在炮火中颤抖、呻吟。
一场血战，“老虎团”终于被我攻击部队逐出了大王庄。“老虎团”团长恼羞成怒，一边呼叫炮群封锁我后续部队的投入，一边组织力量进行反扑。一般的部队三五次冲锋攻不上去，腿可能就软了，可这“老虎团”确是名不虚传。他们充分利用地形地物和我军进行搏杀，竟连续发动了15次冲锋。打到最后，“老虎团”伤亡殆尽，我攻击大王庄的3个营也所剩无几。最后，“老虎团”团长组织起汽车兵、勤务兵、伙夫、马夫等全团所余全部有生力量，发起了最后的冲锋。关键时刻，我华野7纵首长派出了最后一支预备队———纵队警卫连。又一场恶战过后，敌人的最后一击终于被粉碎，而我150多人的警卫连也只剩下17人。大王庄争夺战从早上8点打到晚上8点，整个村庄除了几堵断墙，几乎被夷为平地。 12月12日，刘伯承、陈毅发布《促黄维立即投降书》，要求其不要再作绝望的抵抗，应爱惜部属的生命，放下武器。但黄维拒不投降，拼死顽抗。
当天黄昏，华野7纵攻击双堆集东南制高点尖谷堆，尖谷堆虽只有25米高，但在一马平川的双堆集地区，却是关键的制高点，对于观察战况和步炮协同极为有利，12兵团的炮兵观测所就设在上面，是个兵家必争之地，由战斗力最强的18军防守。由于解放军攻势很猛，18军军长杨伯涛担心守不住，就命令发射空投下的催泪毒气弹，解放军没有准备，部队产生了混乱，被迫停止了进攻。直到了解到作用不大，部队才安定下来。此后解放军进行了防毒教育和防护准备，以后12兵团再使用，作用就不大了。
12月14日，陈士渠指挥华野3纵、中野6纵攻击双堆集东北的集团工事，他以华野攻坚能力最强的3纵8师为主攻，将3纵炮兵团的三个炮兵连和8师炮兵营组成炮群，直接支援8师的攻击；将3纵炮兵团主力和华野特种兵纵队的重炮组成炮群，由第3纵队指挥负责压制双堆集敌军炮火。经严密准备，于黄昏时分发起攻击。守备集团工事的是10军114师54团，该团原是18军的起家部队，后在部队整编中调配给第10军，是12兵团中战斗力最强的团，人称“威武团”。解放军攻击部队是华野3纵23团1营（即洛阳营）和中野6纵49团1营（即襄阳营），攻守双方都是精锐之师，毫无疑问这是一场硬仗恶仗。经过一小时强大火力准备，解放军冲入阵内，双方白刃肉搏，血战三个多小时，
