碾庄圩戰役後，黃百韜司令官的第7兵團全軍覆沒。中國共產黨中央革命軍事委員會根據戰場形勢，幾經磋商於1948年11月22日確定第二個殲擊目標應是由蒙城地區向宿縣孤軍冒進的黃維第12兵團。淮海前線總前委決定以中原野戰軍7個縱隊和華東野戰軍兩個縱隊，圍殲黃維兵團於澮河南北地區；以華東野戰軍主力分別阻擊徐州、蚌埠可能出援的國軍，確保圍殲黃維兵團之作戰。
國軍的計劃是集中主力，殲滅中原野戰軍，以求打通徐州、蚌埠間的交通與通訊。國軍最高統帥部下令徐州駐軍邱清泉第2兵團，孫元良的第16兵團，黃維第12兵團和李延年第6兵團會合由蒙城向宿縣攻擊前進。

為配合平津會戰，按照中共中央軍委統一部署，解放軍部隊戰場休整20天。解放軍對傅作義集團之分割包圍，避免其迅速決策經海路南逃。由於已消滅了國軍34個師，邱清泉第二兵團、李彌第十三兵團之22個師被包圍，解放軍對合圍的杜聿明部暫緩攻擊，向杜聿明發動政戰宣傳與勸降，消耗其心理，為最後圍殲杜聿明部做最後準備，雖然杜聿明拒絕投降，但瓦解了國軍官兵士氣。合圍圈中的國軍糧彈兩缺，雖有空投補給，但遠不夠用。12月19日，被圍的國軍曾謀劃空軍化武掩護下突圍，亦無力執行。12月28日，杜聿明問顧祝同增援徐州之兵力在哪裡時，顧祝同回答說：「現在到處受到牽制，哪裡也調不出兵力。」
這時，華北國軍傅作義集團，已被分割包圍於北平、天津、塘沽，殲滅杜聿明已不再影響華北戰場之勢態。
1949年1月6日，解放軍對被圍在青龍集、陳官莊地區之敵發起總攻。解放軍在看見招降無效，就發動猛烈總攻，乘國軍疲弱無力，以大膽分割戰術，全面突入，先摧毀外圍據點，續入核心陣地，國軍死裡求生，奮力拚鬥。1月9日，消滅第十三兵團大部，殘部撤往第二兵團防區，「雖然出動了救援的飛機，但沒來得及」國軍苦戰到1月10日夜間，終於全線瓦解，結束戰鬥。經4日戰鬥，解放軍全殲第二、十三兩個兵團，俘徐州剿匪總司令部副總司令兼前進指揮部主任杜聿明。徐州剿匪總司令部前進指揮部副主任兼第二兵團司令官邱清泉陣亡。參與此役之高級將領，僅李彌、孫元良、熊笑三、高及人等倖獲脫險，杜聿明及其以下軍、師長多人均被俘。犠牲之重，堪稱空前。是日，蔣介石日記寫道：「杜聿明、邱清泉二將領雖作戰失敗，但其始終聽命，奮鬥到底，實不愧為革命軍人。」
在戰鬥最激烈階段，蔣曾下令使用毒氣彈掩護杜聿明部突圍，並以甲種彈掩人耳目。杜聿明在《淮海戰役始末》一文中回憶：「我想突圍也無望，但限於蒋中正的命令，又有董明德來，不能不敷衍他一下」。於是即找第三處處長鄧錫洸來商討，擬定陸、空協同放毒突圍的計劃。董說：「黃兵團這次用了毒氣彈，部隊被消滅後，共軍即廣播出來。放毒是違犯國際公法的，所以這次決定以空軍放毒，掩護你們突圍。規定毒氣彈為「甲種彈」，其他彈為「乙種彈」，計劃中只寫甲種彈、乙種彈，而不寫毒氣彈。我（杜聿明）問董：「用的什麼毒氣？」董說：「催淚性的。」我（杜聿明）說：「這有什麼用？為什麼不用窒息性的呢？」董說：「窒息性的太嚴重，還不敢用」。[11]施洋認為，之所以國軍「窒息性」的「不敢用」，除了顧忌其威力之外，可能是因為國軍戰術素養低下，無力大規模實行化學作戰所致。實際上根據戰後中國共產黨解密檔案顯示，徐蚌會戰最後階段，杜聿明給南京電報要求投放20萬隻防毒面具，以放毒率部突圍。但是電報落到李克農領導的中共華東局社會部在國民黨聯勤司令部共產黨間諜人員手裡，共產黨間諜拖延緩辦，杜聿明一直未收到空投防毒面具，對甲種彈導致投鼠忌器，以致全軍覆沒，自己束手被俘。。役後，國軍用於發射化學彈藥的化學炮和防化設備均被解放軍虜獲
1949年1月11日，蔣見此敗局，「決在蚌埠臨淮各留一個兵團，構成據點留守，掩護撤退，餘部皆絡續南撤。」。李延年第六、劉汝明第八兵團隨後放棄淮河以南、長江以北地區，撤往江南。徐蚌會戰結束，解放軍佔領長江以北大片土地。

原因與影響：
本戰役對中國乃至世界局勢都有深遠影響，所以歷史學家杜維運說：「國共會戰其實只有三大戰役，而三大戰役其實只有一大戰役。」因為遼瀋會戰和平津會戰解放軍有地利與人和之優勢。
至此，中國共產黨基本上控制長江以北之華東、中原地區。中華民國首都南京及經濟中心上海處於解放軍直接威脅之下。徐蚌會戰中，由於蒋中正之黃埔軍系損失大半，造成他在政府內之地位動搖，桂系之李宗仁、白崇禧藉此攻擊蔣，蔣遂於1949年被迫引退。蔣之黃埔軍系富有作戰經驗，而嚴重損失，後續國軍作戰力低下，地方派系（如桂系）軍閥由於戰略物質人力給養不足，長期被蔣黃埔軍系壓制削弱。解放軍在三大戰役後，實力大幅提高。種種因素之下，國軍備受壓力。
是役中國共產黨情報工作成功。中國共產黨地下黨員、國防部中將吳仲禧在徐蚌會戰前，獲得國軍徐州剿總作戰計劃等軍事核心情報，使共軍較早了解國軍全面計劃，對全面部署徐蚌會戰有重要作用。國防部作戰廳廳長郭汝瑰也將國軍計畫傳送給中共。
徐蚌會戰的勝敗原因各種論述，包含戰略、指揮、後勤、情報、人物、民心等各方面探討，大體而論大戰略和政治層面國共雙方都有其優勢處與劣勢處，以戰役本身而論蔣中正之問題，在對攻守等戰略形勢判斷不明，左右改變戰略戰術，造成主力部隊在每次調動過程中被解放軍包圍，再派部隊解圍，解圍不成再各自撤退回逃，再被圍，戰略上被解放軍牽著鼻子走，處於被動狀態。
徐蚌會戰中解放軍方面有來自山東、河南、安徽、江蘇等地農民543萬支援前線（支前），河南在徐蚌會戰期間有200多萬民工支前，數量上僅次于山東。動員「民工共220餘萬人」；「運集糧食達4億3千多萬斤」。民工除修路運糧之外，還協助部隊挖掘交錯縱橫之包圍濠溝，使被圍中之國軍機械部隊動彈不得，在戰役中作用甚大。其中隨軍常備民工22萬人，二線民工130萬人，後方臨時民工391萬人；擔架20.6萬副，大小車輛88萬輛，扁擔30.5萬副，牲畜76.7萬頭，船隻8539艘；籌集糧食9.6億斤，運送到前線的糧食4.34億斤。
在徐蚌會戰結束後，陳毅元帥總是說：徐蚌會戰的勝利，是鄉親父老用小車推出來的！粟裕將軍也說過：華東戰場特別是徐蚌會戰的勝利，離不開山東人民的小推車和大連（當時蘇軍控制）的炮彈。山東的小推車自不必說，在三年解放戰爭中，山東人民有700多萬人加入到支前行列，將4億多公斤糧食及大量作戰物資運達前方，保證「兵馬未動，糧草先行」，而東北軍工企業在1947-1950年4年時間裡，共生產日式三八、九四、一二四和美式七五山炮彈54萬餘發；藥筒26萬餘個；自配M式野山加引信9.5萬個，改產擲彈引信55.6萬個，修理舊引信16.2萬個；生產美式、日式底火60.9萬個；雷管24萬隻，60迫擊炮1430門；衝鋒槍1563支；生產彈體鋼3000多噸，各種型號無煙藥450噸。其中，除為遼西會戰提供百餘噸炸藥外，絕大部分通過大連經海路越過國民黨軍隊的封鎖，送到山東半島東端俚島的解放軍軍物資接送站，再由山東支前大軍用成千上萬輛小推車浩浩蕩蕩推往華東前線。
解放軍佔領徐州後，民工以二十天把隴海、津浦線修好，做好了68座鐵橋、228座涵洞、220餘里鉄路。
杜聿明後來評論徐蚌會戰時稱：「大廈將傾，一木難支」，形容徐蚌會戰大敗非戰爭之罪，並非國軍不能打，而是一個綜合歷史大趨勢之必然結果。
就當時使用兵力及裝備來看，國軍還是居於優勢，如果戰地指揮官企圖旺盛，意志堅強，運用得宜，未嘗不可以取勝。只因國軍作戰計劃不定而且不能貫徹，戰地總司令消極保守，各部隊行動部調不一，才致為解放軍所乘而敗陣。解放軍則戰略戰術配合良好，劉伯承和陳毅協調密切，在戰術行動上依舊使用其慣用戰法，集中絕對優勢兵力，圍點打援，逐一擊破國軍，獲勝一仗。