中央军委、毛泽东在蒋介石决定放弃徐州的同一天，即11月28日已判断杜聿明有放弃徐州，向武汉或两淮方向逃窜的可能。
28日晚22时，毛泽东电示刘伯承、陈毅、邓小平并粟裕、陈士榘、张震，谭震林、王建安，指出：“粟、陈、张在歼灭固镇、曹老集一带之敌以后，请考虑以二、六、七、十一、十三等5个纵乘胜渡淮南进，切断蚌浦线，包围并相机夺取蚌埠。十纵则留在宿县休整，尔后即用谭、王、李所率各纵及十纵，协同中野解决徐州之敌。是否可以如此及渡淮作战有何困难望告，以便我们作最后决定。”“黄维解决后，须估计到徐州之敌有向两淮或向武汉逃跑可能，因此中野及华野谭、王、李各部，虽然一方面应当争取休整两星期左右，但另一方面又应当迅速处理战后工作，以利应付意外。”第二日，毛泽东代表中央军委，复电总前委，强调“从敌人固守着眼，集中火力各个分割歼击，准备以十天或更多时间解决此敌，此种计划是稳当的和可靠的”。“解决黄维兵团是解决徐、蚌全敌六十六个师的关键，必须估计敌人的最后挣扎，必须使自己手里保有余力，足以应付意外情况。因此，粟、陈、张在解决固镇、曹老集之敌以后，华野二、六、十、十一、十三等5个纵应立即集结休息，作为歼灭黄维的总预备队。渡淮南进一事，待黄维全歼以后再说”。“望谭、王、李坚强阻击邱、李、孙诸敌，务使该敌不能侵入宿县”。
接毛泽东和中央军委电后，11月30日，粟裕、陈士榘、张震，谭震林、王建安、李迎希就进一步军事展开的各项估计及意见上报中央。
毛泽东立刻复电，称各项估计及意见均甚好。同时，他还就具体部署深入谈了自己的建议：“固镇、曹老集之敌人解决后，以江淮两个旅进淮南，以十三纵控制固镇、曹老集部署甚妥，望即执行。”“二、六、十、十一等4个纵应以两个纵位于固镇以北休息，准备随时供刘、陈、邓使用，为解决黄维的总预备队，以策万全。其余两个纵是否即可照谭、王、李提议开至双沟、大王庄之线，以便配合一纵阻止邱、李主力向两淮逃跑之可能。请刘、陈、邓，粟、陈、张按情决定。”“七纵炮兵已供刘、陈、邓使用，这里不再说了。惟炮纵应全部开去打黄维，以厚火力。”“渤纵现到何处，该纵似亦应使用于双沟地区，对付邱、李主力。”“刘、陈、邓电台应速与谭、王、李电台沟通。”“黄维解决后，我们现在倾向于集华野、中野全力解决邱、李、孙，然后休整一时期，再合力举行江淮战役。”
为贯彻毛泽东和中央军委的指示，总前委即令华野以一部参加围歼黄维兵团和监视蚌埠李、刘兵团，主力转为准备对付徐州撤逃之敌。华东野战军前委根据以上情况，立即采取措施，加强对徐州之敌的监视。
30日，华东野战军前委发布《全歼当面敌人争取战役全胜的政治动员令》，在分析了敌情后，命令所属部队：认真做好思想准备，重新进行战役动员，必须认识这次淮海战役是一个带有决战性质的战役。
如果我们全歼黄维兵团取得第二个大胜利，对于江北战局将是有决定意义的胜利，而全歼邱、李、孙兵团的决战胜利，对于全国战局将有决定性意义。我们要有连续作战克服任何艰难困苦的思想准备，不顾一切争取决战胜利的无敌气概。必须针对战役的决战性及其连续性，善于抓紧时间，利用战斗间隙迅速整理组织，充实战力，做好连续作战的组织准备。加强一切作战准备。各兵团之间，各部队之间，要更注意密切协同，要注意步炮协同，以我们的团结一致和协同动作，取得彻底歼灭当面敌人的胜利。我们的口号是“：活捉黄维，活捉邱清泉、李弥、孙元良，为全歼当面敌人而战！”
华东野战军在查明敌人动向后，立即指挥各纵队于30日夜和12月1日展开尾追、平行追击与迂回截击。命令渤海纵队经大许家、宿羊山地区沿陇海路西进，不久进驻徐州，担任警备任务；命令谢振华第十二、叶飞第一、陶勇第四共3个纵队分由潘塘镇、褚兰、双沟等地并列向徐州、萧县间尾敌追击；命令聂凤智第九、张仁初第八、孙继先第三、钱钧鲁中南共4个纵队分别由城阳、桃山集、路疃向瓦子口、濉溪口作平行追击；命令宋时轮第十纵队由塘圩、滕海清第二、胡炳云第十一纵队由固镇地区，分别向永城、涡阳、亳州方向急进，迂回拦击。
2日，华东野战军迂回部队进至大茴村和五户张集一线，截断了敌人向永城的逃路；追击部队已在萧县西南瓦子口、孟集地区追上敌人，并立即多路向敌开展猛攻。
杜聿明集团撤出徐州后，各部争相逃命，人员车辆拥挤不堪，混乱异常，前进很困难。杜聿明不得不于12月2日停止在孟集、李石林、袁圩、洪河集地区进行整顿。杜聿明经调整部署，采取东西北三面掩护，向东南逐次跃进突击，企图与黄维会合。华东野战军立即采取三面突击，一面堵击，以压缩敌人。杜聿明4日给蒋介石的电报中称：“部队零散，无法应战，故停止整顿一晚，三日继续攻击前进，则四面皆敌，且战且退，极为迟缓。”
4日拂晓，华东野战军将杜聿明集团全部合围在陈官庄、青龙集、李石林地区。解放军经过3天的勇猛追击、堵截，共歼敌2万人，俘敌1.4万余人。5日，杜聿明召集邱清泉、李弥、孙元良等研究突围办法，未向蒋介石报告即自行决定，当日黄昏各兵团同时各自向淮河以南突围。但是，杜聿明惧怕突围失败，蒋介石怪罪下来，担当不起，又取消自行突围的决定。然而孙元良第十六兵团已抢先于当晚向西南突围，其主力即被华东野战军张仁初第八纵队和冀鲁豫军区、豫皖苏军区地方武装分别歼灭于永城附近之黄瓦房、张老窝和亳县地区，残部缩回包围圈内，孙元良率少数随从人员化装乘隙逃脱。
7日至10日，杜聿明数次组织其主力在坦克重炮掩护下，向东南方向突围，未能得逞。伤亡不断增加，阵地逐渐缩小，不得已调整部署，固守待援。