碾庄圩战役后，黄百韬司令官的第7兵团全军覆没。中国共产党中央革命军事委员会根据战场形势，几经磋商于1948年11月22日确定第二个歼击目标应是由蒙城地区向宿县孤军冒进的黄维第12兵团。淮海前线总前委决定以中原野战军7个纵队和华东野战军两个纵队，围歼黄维兵团于浍河南北地区；以华东野战军主力分别阻击徐州、蚌埠可能出援的国军，确保围歼黄维兵团之作战。
国军的计划是集中主力，歼灭中原野战军，以求打通徐州、蚌埠间的交通与通讯。国军最高统帅部下令徐州驻军邱清泉第2兵团，孙元良的第16兵团，黄维第12兵团和李延年第6兵团会合由蒙城向宿县攻击前进。

为配合平津会战，按照中共中央军委统一部署，解放军部队战场休整20天。解放军对傅作义集团之分割包围，避免其迅速决策经海路南逃。由于已消灭了国军34个师，邱清泉第二兵团、李弥第十三兵团之22个师被包围，解放军对合围的杜聿明部暂缓攻击，向杜聿明发动政战宣传与劝降，消耗其心理，为最后围歼杜聿明部做最后准备，虽然杜聿明拒绝投降，但瓦解了国军官兵士气。合围圈中的国军粮弹两缺，虽有空投补给，但远不够用。12月19日，被围的国军曾谋划空军化武掩护下突围，亦无力执行。12月28日，杜聿明问顾祝同增援徐州之兵力在哪里时，顾祝同回答说：“现在到处受到牵制，哪里也调不出兵力。”
这时，华北国军傅作义集团，已被分割包围于北平、天津、塘沽，歼灭杜聿明已不再影响华北战场之势态。
1949年1月6日，解放军对被围在青龙集、陈官庄地区之敌发起总攻。解放军在看见招降无效，就发动猛烈总攻，乘国军疲弱无力，以大胆分割战术，全面突入，先摧毁外围据点，续入核心阵地，国军死里求生，奋力拼斗。1月9日，消灭第十三兵团大部，残部撤往第二兵团防区，“虽然出动了救援的飞机，但没来得及”国军苦战到1月10日夜间，终于全线瓦解，结束战斗。经4日战斗，解放军全歼第二、十三两个兵团，俘徐州剿匪总司令部副总司令兼前进指挥部主任杜聿明。徐州剿匪总司令部前进指挥部副主任兼第二兵团司令官邱清泉阵亡。参与此役之高级将领，仅李弥、孙元良、熊笑三、高及人等幸获脱险，杜聿明及其以下军、师长多人均被俘。犠牲之重，堪称空前。是日，蒋介石日记写道：“杜聿明、邱清泉二将领虽作战失败，但其始终听命，奋斗到底，实不愧为革命军人。”
在战斗最激烈阶段，蒋曾下令使用毒气弹掩护杜聿明部突围，并以甲种弹掩人耳目。杜聿明在《淮海战役始末》一文中回忆：“我想突围也无望，但限于蒋中正的命令，又有董明德来，不能不敷衍他一下”。于是即找第三处处长邓锡洸来商讨，拟定陆、空协同放毒突围的计划。董说：“黄兵团这次用了毒气弹，部队被消灭后，共军即广播出来。放毒是违犯国际公法的，所以这次决定以空军放毒，掩护你们突围。规定毒气弹为“甲种弹”，其他弹为“乙种弹”，计划中只写甲种弹、乙种弹，而不写毒气弹。我（杜聿明）问董：“用的什么毒气？”董说：“催泪性的。”我（杜聿明）说：“这有什么用？为什么不用窒息性的呢？”董说：“窒息性的太严重，还不敢用”。[11]施洋认为，之所以国军“窒息性”的“不敢用”，除了顾忌其威力之外，可能是因为国军战术素养低下，无力大规模实行化学作战所致。实际上根据战后中国共产党解密档案显示，徐蚌会战最后阶段，杜聿明给南京电报要求投放20万只防毒面具，以放毒率部突围。但是电报落到李克农领导的中共华东局社会部在国民党联勤司令部共产党间谍人员手里，共产党间谍拖延缓办，杜聿明一直未收到空投防毒面具，对甲种弹导致投鼠忌器，以致全军覆没，自己束手被俘。。役后，国军用于发射化学弹药的化学炮和防化设备均被解放军虏获
1949年1月11日，蒋见此败局，“决在蚌埠临淮各留一个兵团，构成据点留守，掩护撤退，余部皆络续南撤。”。李延年第六、刘汝明第八兵团随后放弃淮河以南、长江以北地区，撤往江南。徐蚌会战结束，解放军占领长江以北大片土地。

原因与影响：
本战役对中国乃至世界局势都有深远影响，所以历史学家杜维运说：“国共会战其实只有三大战役，而三大战役其实只有一大战役。”因为辽沈会战和平津会战解放军有地利与人和之优势。
至此，中国共产党基本上控制长江以北之华东、中原地区。中华民国首都南京及经济中心上海处于解放军直接威胁之下。徐蚌会战中，由于蒋中正之黄埔军系损失大半，造成他在政府内之地位动摇，桂系之李宗仁、白崇禧借此攻击蒋，蒋遂于1949年被迫引退。蒋之黄埔军系富有作战经验，而严重损失，后续国军作战力低下，地方派系（如桂系）军阀由于战略物质人力给养不足，长期被蒋黄埔军系压制削弱。解放军在三大战役后，实力大幅提高。种种因素之下，国军备受压力。
是役中国共产党情报工作成功。中国共产党地下党员、国防部中将吴仲禧在徐蚌会战前，获得国军徐州剿总作战计划等军事核心情报，使共军较早了解国军全面计划，对全面部署徐蚌会战有重要作用。国防部作战厅厅长郭汝瑰也将国军计划传送给中共。
徐蚌会战的胜败原因各种论述，包含战略、指挥、后勤、情报、人物、民心等各方面探讨，大体而论大战略和政治层面国共双方都有其优势处与劣势处，以战役本身而论蒋中正之问题，在对攻守等战略形势判断不明，左右改变战略战术，造成主力部队在每次调动过程中被解放军包围，再派部队解围，解围不成再各自撤退回逃，再被围，战略上被解放军牵着鼻子走，处于被动状态。
徐蚌会战中解放军方面有来自山东、河南、安徽、江苏等地农民543万支援前线（支前），河南在徐蚌会战期间有200多万民工支前，数量上仅次于山东。动员“民工共220余万人”；“运集粮食达4亿3千多万斤”。民工除修路运粮之外，还协助部队挖掘交错纵横之包围濠沟，使被围中之国军机械部队动弹不得，在战役中作用甚大。其中随军常备民工22万人，二线民工130万人，后方临时民工391万人；担架20.6万副，大小车辆88万辆，扁担30.5万副，牲畜76.7万头，船只8539艘；筹集粮食9.6亿斤，运送到前线的粮食4.34亿斤。
在徐蚌会战结束后，陈毅元帅总是说：徐蚌会战的胜利，是乡亲父老用小车推出来的！粟裕将军也说过：华东战场特别是徐蚌会战的胜利，离不开山东人民的小推车和大连（当时苏军控制）的炮弹。山东的小推车自不必说，在三年解放战争中，山东人民有700多万人加入到支前行列，将4亿多公斤粮食及大量作战物资运达前方，保证“兵马未动，粮草先行”，而东北军工企业在1947-1950年4年时间里，共生产日式三八、九四、一二四和美式七五山炮弹54万余发；药筒26万余个；自配M式野山加引信9.5万个，改产掷弹引信55.6万个，修理旧引信16.2万个；生产美式、日式底火60.9万个；雷管24万只，60迫击炮1430门；冲锋枪1563支；生产弹体钢3000多吨，各种型号无烟药450吨。其中，除为辽西会战提供百余吨炸药外，绝大部分通过大连经海路越过国民党军队的封锁，送到山东半岛东端俚岛的解放军军物资接送站，再由山东支前大军用成千上万辆小推车浩浩荡荡推往华东前线。
解放军占领徐州后，民工以二十天把陇海、津浦线修好，做好了68座铁桥、228座涵洞、220余里鉄路。
杜聿明后来评论徐蚌会战时称：“大厦将倾，一木难支”，形容徐蚌会战大败非战争之罪，并非国军不能打，而是一个综合历史大趋势之必然结果。
就当时使用兵力及装备来看，国军还是居于优势，如果战地指挥官企图旺盛，意志坚强，运用得宜，未尝不可以取胜。只因国军作战计划不定而且不能贯彻，战地总司令消极保守，各部队行动部调不一，才致为解放军所乘而败阵。解放军则战略战术配合良好，刘伯承和陈毅协调密切，在战术行动上依旧使用其惯用战法，集中绝对优势兵力，围点打援，逐一击破国军，获胜一仗。