黄百韬兵团被解放军合围后，蒋介石于10日上午9时在南京总统官邸召开作战会议，被迫改变原定在徐州、蚌埠间集中兵力的计划，决定将主力集结在徐州周围。遂命令黄百韬依托和加修李弥兵团原来构筑的工事，固守碾庄圩地区待援。命令邱清泉兵团转至徐州以东，在李弥兵团一部参加下，沿陇海及其两侧东援，协同黄兵团作战。命令李延年第九绥靖区机构改为第六兵团，指挥第九十九军和刚由东北撤回的第三十九、五十四军，由蚌埠沿津浦路东侧向宿县前进。命令第四绥靖区刘汝明改为第八兵团，并将位于蚌埠的第九十六军归其建制，会同第十六兵团沿津浦路两侧向宿县推进，并担任固镇、宿县之间的守备。命令黄维兵团于15日到达阜阳后继续向蒙城、宿县前进。命令“徐州守备部队应坚工固守，支持各方面共军之攻击，形成战场之坚固支撑点，以利决战”。并派杜聿明重任徐州“剿总”副司令兼前进指挥部主任，实际指挥徐州集团各部，进行徐蚌大会战。蒋介石告诫国民党军徐州前线将领：“徐淮会战实为我革命成败、国家存亡最大之关键”，必须“团结苦斗，期在必胜”。根据以上敌情变化，毛泽东于11日、13日、14日连续发电给华东、中原两野战军前委，指出：“在此种形势下，只要你们歼灭黄百韬、孙元良兵团，占领宿县及徐蚌段铁路，徐州就处于被我包围中，就可以准备第二步歼灭邱、李，夺取徐州。”并指出华东野战军的首要任务是阻击徐州东援之敌，歼灭第七兵团，尔后争取再歼灭第二、第十三兵团几个师，将该敌打得不能动弹，以利下一步作战。为此，在兵力部署上，阻援部队除应位于援敌正面与侧面外，还应以有力部队从徐州东南攻击援敌之后路，以拖住敌人。围黄百韬的各纵队应集中兵力首先解决第二十五、四十四、一○○军，留下黄百韬兵团余部，以吸引邱、李兵团东进至大许家、曹八集，然后再集中主力乘势猛击，歼其一部，同时以一部歼灭第七兵团余部。中原野战军主力应迅速攻占宿县，歼灭第十六兵团，然后以徐蚌路为枢纽，对付南面各路援敌，争取给固镇一带之敌第六、八兵团一个歼灭性打击。第二、六纵队应不分昼夜，兼程前进。务必赶到黄维第十二兵团先头，从正面阻止该敌前进，以保障华东野战军围歼黄百韬兵团的作战。中央军委还电令陈毅、邓小平部务需不顾一切，集中全力攻取宿县，歼灭孙元良部，控制徐蚌段，断敌退路，愈快愈好。
11日夜，中原野战军根据中央军委电令，向宿县地区开进，以攻占宿县，截断徐蚌线，孤立徐州之敌。宿县是徐州至蚌埠间的重镇，是徐州刘峙集团的重要补给基地，地位极为重要。
12日，陈赓、谢富治指挥中原野战军第四纵队、华东野战军第三纵队和两广纵队及冀鲁豫军区两个旅，进至萧县和津浦路徐宿线夹沟地区，歼灭正由蒙城等地向徐州收缩的孙元良兵团后尾一部，俘敌3000余人。接着又在三堡歼灭冯治安部残部第七十七军军部及所属第三十七师约4000余人，占领徐州以南的三堡、符高集等地。秦基伟、李成芳第九纵队及豫皖苏军区独立旅等部，占领蚌埠以北的固镇、任桥等地。
13日晚，中原野战军陈锡联、郑国仲第三纵队在第九纵队一部配合下包围宿县。
在对宿县发起总攻前，刘伯承、陈毅、邓小平等致电中央，就作战意图作了进一步的详细阐述。
11月15日，毛泽东复电，指出“：我们和你们在基本方针上是一致的，需待黄兵团歼灭以后，依邱清泉、李弥、黄维3部的情况才能决定作战方针。”“我诱邱、李东进断其后路之计划恐不一定能实现，黄兵团被歼后，邱、李缩回徐州的可能性是很大的。黄维在阜阳观望形势，或到蒙城观望形势，或到蚌埠巩固其后方的可能性也很大。”“你们是否需要集中4个纵队于攻克宿县后再攻固镇一带，亦尚待你们查明确定。总之，一切须待粟、谭歼灭黄百韬，你们歼灭宿县之敌以后，依情况变化才能决定下一步作战方针。如果那时邱、李缩回徐州，黄维开到蚌埠，两处均不好打，则可给我以短时休息机会也是好的。惟目前华野仍应争取于歼灭黄兵团以后再打邱、李，你们于攻克宿县以后，如果刘汝明部在固镇，则应争取再歼刘部。”
接到毛泽东电报的当晚，中原野战军发起对宿县县城的总攻。
15日下午17时，3发红色信号弹腾空升起，攻城开始了。各种火炮、轻重机枪按计划向指定敌目标猛烈射击。由于距离近，炮弹的出口声和落地爆炸声连到了一起，震天动地，城墙上下火光闪闪，浓烟滚滚，砖石横飞，一处处城垛被打塌，一个个碉堡被摧毁。
攻城的第一项任务是架桥。担任主攻任务的中野第三纵队九旅二十五团三营七连早已做好了准备，首先是放置支撑桥的桥杆。按照事前演练的程序，撑杆手，梯子组，第二撑杆手，第二梯子组顺序在紧靠桥头处的工事里隐蔽好，攻击一开始，撑杆手抱起6米多长的杆子向桥头扑去，第一位冲上去的勇士被打倒了，第二位立即又扑了过去……一连上去了6位战士都被打倒了，有的人已经把杆子伸向了桥基，但不幸中弹牺牲了，杆子也掉进河里去了。就在这紧要时刻，一位来自河北大名的新战士李守业，一跃跳出工事，抱起木杆冲了上去，准确地把杆子搭上桥基，然后飞身转回，一边往回跑一边喊：“搭上了！搭上了！”
冯秉志连长见桥架已经搭上，立即命令：“桥板第一组，出动！”
一位班长带着3名战士，抬起桥板冲了过去，还没有到河边，就有人被打倒了，剩下的两人无法搭桥，只好返回。接着第二桥板组出动，又被打倒了。第三组立即再上……连续派出了7个桥板组，都未能奏效。情急之下，连续两次冲击未成功的二班长张二咀，再次跃出战壕，带领3个战士抬起桥板又冲了上去，这次终于把桥板稳稳地架在了桥基上。
工兵爆破班见桥已经架好，立刻冲出工事，每人背30公斤梯恩梯炸药，顺利过了桥，直扑城下。把炸药包竖着靠城墙上，拉着了导火索，接着就地一滚。只听得3声巨响，瓮城突出部左侧被炸开一个豁口。
伴随着震耳欲聋的爆炸声，冲锋号响起，八连战士像猛虎出山一样，越过桥板，冲向城墙，冲进刚炸开的豁口。
看到解放军发起了冲击，敌人调动了各种火器，组成炽密交加火网，企图阻挡解放军前进。配置在纵深的曲射火炮，也集中火力打过来，炮弹雨点般地落在河里、马路上、房顶上，城楼两侧的火力点也侧射过来，城墙上一个劲儿往下扔手榴弹、燃烧弹，暗火力点也开了火。
从冲击出发阵地到城墙距离不过百米，但这百米空间内顿时成了火的海洋，但八连的勇士们，硬是冒着敌人猛烈的枪炮，直冲过去，呐喊着、奔跑着。
冲在最前面的是突击组，突击组的成员都背着枪，左手提个装满手榴弹的竹篮子，右手两枚手榴弹，拉火绳环都挂在指头上，当时冲锋枪少，手榴弹就是打开突破口的主要武器。
冲击中许多战士还没有冲上桥就倒下了，有的战士还没有踏上桥板就中弹了，翻身掉进水里。一排长赵奎山牺牲了，副排长李四法高喊：“跟我上！”带领全排冲了上去，他刚冲过桥，就被燃烧弹击中，全身冒起熊熊大火，但他头也不回，像一条火龙，继续向前冲去，直到倒下。
指导员任佩贤被炮弹炸断了腿，通讯员要背他，他说：“不要管我，快往前冲！”战士周玉明冲在最前面，突然腿被打伤，不能走动了，他就躺在地上向敌人扔手榴弹。机枪连长吴琪看到突击队员连续被敌人一挺机枪击倒，前进受阻，愤怒地甩去了衣服，光着膀子把重机枪搬到工事上面，向敌人一阵猛打，压制住敌人的火力，突击队员们趁机一跃而起，然而，就在此时，一颗炮弹落在吴连长身旁爆炸，他英勇牺牲了。此时的高玉岐连长左臂已经负伤，但他看都不看，一直冲在最前面，在他带领下，终于有二十几位战士冲过了这死神统治的火海地带，到达了城墙豁口处。
高玉岐等刚冲到豁口处，城上的敌人即利用居高临下的有利地形，向他们投弹和射击，竭力阻止他们登城。
勇士们连续不断地把整篮子手榴弹掷上城去，趁敌人暂时被压制的片刻，由排长任宗海率领8位勇士向城上爬去，刚刚炸开的豁口土质很松软，敌人拼死用火力封锁。经过反复几次顽强拼争，任宗海、魏兴泉、郭贵礼3位英雄终于登上了城头。他们还没有站稳，几个督战队的敌人就扑了过来，3位英雄毫不畏惧，挺着刺刀迎了上去，与敌人搏斗。连续几个敌人在他们的刺刀下丧了命，剩下的转身就跑。
这时，后续战士也陆续登城了。排长高金城登城时负了伤，昏倒在城脚下，听到城头上的喊杀声，醒了过来，翻身跳起来爬上城头。
八连终于在城头上占领了阵地。胜利登城后，八连只剩下十几位战士了。但是，他们依然顽强奋战，与不断反扑的敌人反复较量，坚决地守住了突破口。按照协同计划，八连开始登城，九连就越过桥板紧跟上去。九连登城后，就在八连两侧展开。这时敌人又从集团工事及其两侧蜂拥似的反扑过来。冯贵庄连长和一排马全科排长率领一排迎面冲过去，一阵手榴弹猛打，敌人丢下累累尸体逃跑了。勇士们乘势沿着城墙向左打过去，把突破口扩大了数十米，并全部肃清了工事内的残敌。
战斗中，马全科排长牺牲了，他身中数弹，仍不断向敌投手榴弹，直到生命的最后一分钟。九连二排击退了从城墙右侧反扑来的敌人，接着又肃清了城脚下所有工事和地堡里的敌人，与此同时，九连三排消灭了城楼工事内的敌人，占领了敌人的主阵地。
直到此时，瓮城和城楼的争城战还未结束，敌人又从城墙北侧反扑过来，九连机枪手李三考手端机枪向敌群猛扫，弹药手张小豹连续供弹，李三考手都烫坏了，仍然坚持抱枪射击。
这时九连周教导员也登上了城头。他看到敌人扑过来，立刻冲了过去，拾起地上的冲锋枪，向敌扫射，他的模范行动极大地鼓舞了战友们，敌人的反扑又被打下去了。至此，九连把八连打开的突破口巩固了、扩大了，牢牢地控制了以城门为中心，宽达200多米的城头阵地；为团和旅的第二梯队投入战斗创造了条件。
至16日凌晨，宿县被完全攻克，全歼守敌第二十五军之一四八师等部1.2万余人，缴获大量军需物资。击毙敌第一四八师副师长钱卓严，活捉敌少将护路副司令兼交警第一旅旅长张绩武。至此，解放军控制了徐蚌间三堡到任桥100多公里的铁路，切断了徐蚌线，完成了对徐州的战略包围，有力地保障了华东野战军围歼黄百韬兵团的作战，并为下一步分批歼灭徐蚌之敌和来援的黄维兵团创造了极为有利的条件。