在黄维的多次要求下，蒋介石为了挽救黄维兵团，使他突出重围，终于下令向双堆集空投粮弹，并授意空军投糜烂性毒气弹。后来，交通部部长俞大维向蒋介石说：“糜烂性毒气弹，国际公法禁止使用。”听了俞大维的话，蒋介石才又改称，那么就投催泪弹，还说：“这不是毒弹，可以使用。”但蒋介石说归说，做归做。
黄昏时分，落日的余晖给这片开阔地平添了几分冷清。
黄维的第12兵团被笼罩在一种阴森的气氛和绝望的情绪里面。伤者不能得到医治、死者的尸体没人安葬，军营内外十分凄惨，加上天寒地冻，更加使人没有斗志。与此相比，在解放军一方，到处是火把的光亮，到处是支前的队伍。
这时，我军从截获的黄维给空军副司令王叔铭的一封信中得知，黄维再也支持不下去了。
在一阵枪炮的怒吼声过后，我军又开始了新一轮的政治攻势，阵地上的大喇叭里响起了我军《敦促黄维立即投降书》的声音：
黄维将军：
现在你们所属的四个军，业已大部被歼，85军除少数人员外，已全部覆灭。14军所属不过2000人，10军业已被歼三分之二以上，就是你们所依靠的王牌18军，亦已经被歼过半。你的整个兵团全部被歼，只是几天的事。而你所希望的援兵孙元良兵团，业已全歼；邱清泉、李弥两兵团业已陷入重围，损失惨重，自身难保，必被歼灭。李延年兵团被我军阻击，尚在80里以外，现寸步难移，伤亡也很大。在这种情况下，你本人和你的部属，再作绝望的抵抗，不但没有丝毫出路，只能在人民解放军的强烈炮火下完全毁灭。你身为兵团司令，应爱惜部属的生命，立即放下武器，不再让你的官兵作无谓牺牲。如果你接受我们这一最后警告，请立即派代表到本部谈判投降条件，时机紧迫，请即决策。
在我军强大的政治攻势之下，黄维兵团军心浮动，纷纷整连整营整团地带着武器向我军投诚，第85军25师师长黄子华一下子带来了两个团和所属师部的兵力。但黄维仍是极为顽固，拒绝投降，并准备向我军施放毒气，借以突围。
天色渐渐暗了下来，几辆美式吉普车在成千上万支火把中穿行着，火光、人流、车流川流不息，这热火朝天的场面与敌军阵地的凄惨、荒凉形成了鲜明的对照。令车上坐着的刘伯承、陈毅和邓小平等总前委领导人兴奋不已。
视察完战场情况，吉普车往1纵的指挥部开去。
当天晚上，刘伯承、陈毅、邓小平和1纵的杨勇司令员、苏振华政委在纵队指挥部里一起研究了攻打双堆集的作战方案，决定分三个集团对双堆集发起最后的总攻，以南集团为主，改由华东野战军参谋长陈士榘指挥，并调华东野战军3纵和13纵加入南集团作战，东、西两集团配合。分别从南面和东面进行突破。将战役预备队的华东野战军特纵炮兵全部投入战斗。
12月14日，我军分三个集团向双堆集发起攻击。
激战到14日夜间，南集团攻占了敌临时机场南端及尖谷堆，东集团攻占了杨老五庄、杨子全庄，致使黄维的核心阵地已完全暴露无遗。
12月15日，经过了几天苦心思索，黄维制定出了一个16字的突围计划。把各军的军师长们召集起来，传达了他那“四面开弓、全线出击、觅缝钻隙、冲出重围”的突围计划，说白了他这个突围计划就是要各部立即分散逃跑，其实他的部队谁都知道自己的时日无多了。
黄维根据解放军以南面和东面为重点攻击方向，拦住通往蚌埠的去路，那么西面和北面必然是后方的薄弱环节，而且兵力也不会太强，所以，他把主要突围方向放在了西、北、东三个方向，决意要趁夜间突围。
蒋介石接到黄维汇报的突围计划，非常震惊。蒋介石认为，夜间突围没有空军的支援掩护，地面部队很难突围出去。蒋介石命令空军副司令王叔铭立即乘飞机赶往双堆集去制止黄维连夜突围的计划。但黄维这时谁的话也听不进去了，这是他惟一的也是最后一次违抗蒋介石的命令。
几天来的准备和求生的本能，促使黄维仍很快下了决心，连夜突围。他毫不迟疑地下达了作战部署：
全军突出重围后，均立即赶往安徽风台，会合后再行集结。
10军方面：75师、114师残部向东突围，脱出重围向南奔蚌埠。18师向东北角突围。
18军方面：11师向西突围，由黄维、胡琏、吴绍周亲自指挥战车向前开路，118师及所有炮、工兵残余部队向西北突围。
命令一下达，第12兵团的所有官兵人人心情沉重，心里十分紧张。这次突围仅仅有大体上的目标和方向，谁也不知道具体的还有什么规定，大家只好作好了各自逃命的打算。到了后来，各部之间就都互不进行通信联系了，连电话线都拆了。
与此同时，对面我军的攻击部队也作好了准备，正严阵以待。15日上午，除了敌机在双堆集上空盘旋，急急地扔下几颗炸弹对我前沿阵地进行短暂的轰炸以外，几乎没有什么大的战斗。
下午，敌机开始对我军阵地狂轰滥炸，继而从各个方向都发现了敌人的密集纵队和大量敌人以坦克开路突围，有的后面还有不少车辆跟着。
根据敌人的队形判断，敌人突围的重点主要指向1纵。1纵司令员杨勇和参谋长潘焱一面向司令部报告，一面分头指挥作战。一时间，纵队指挥部里的电话铃声此起彼伏，捷报纷至沓来，都是这里俘敌几千人，那里缴获了多少枪炮。就在这时，1纵指挥部得到警卫连的报告，说是有辆敌坦克已冲到了指挥所东侧的公路上，同时，杨司令员、苏振华政委都听到了坦克发动机的隆隆声。他们判断，这可能是敌高级军官乘坦克突围，马上下令部队实施拦截，但敌坦克已经沿公路向西南方向驶去。
1纵果然没有判断错。黄维和胡琏虽然没有执行蒋介石的命令，但还是怕坐坦克在夜间行动得不到空军的支持，就在各部准备突围时，他们下午4点钟就命令11师和仅有的六辆坦克进行突围，黄维和胡琏各乘一辆，混在其他坦克里面往外冲。
哪想到我军早有准备，黄维和胡琏的提前行动，根本就没有让他的部队知道，这一来反而过早暴露了突围的企图。西线的枪声一阵紧似一阵，黄维无暇多想，决意以死相拼。
黄维、胡琏突围的枪声提前打响以后，第12兵团其他各部一得到消息也都乱冲乱撞、慌不择路地往外冲。
黄昏，天色渐暗，只剩下西边的一抹残阳似血。黄维只觉得今日的黄昏危机四伏，今日的黄昏不同于往日的黄昏，阵地上到处都是一阵紧似一阵的枪声。黄维的内心无比烦躁。
坦克在行进之中，黄维看到冲在最前面的两辆，一辆开入了河里，一辆陷进了堑壕，相继作了我军的俘虏。他见势不妙，掉头就往回开，连方向都来不及辨认。
突击了一夜，黄维也没能找到突破口，到处都在碰壁。眼看着天慢慢又在放亮，他还是没能突出重围。这时天上又响起了飞机的轰鸣声，随后就是浓烟滚滚，爆炸声四起。黄维马上明白过来是空军来支援了。黄维和胡琏重新打起精神，命令坦克往外猛冲。
没过多长时间，冲向我军阵地的坦克就只剩下黄维和胡琏的两辆了，他们开足马力，敌我不分地向南面冲去，径自往蚌埠方向逃命。
好不容易逃出战场以外，黄维和胡琏身边除了几个驾驶员，再没有部队跟着了。又往前开出很远，黄维和胡琏才双双跳下车来，两个人凄凄凉凉地话别，简单地约好了在滁县会合，黄维的坦克朝西南方向走，胡琏则往南面逃，就此分了手。
胡琏乘坐的坦克沿着通往蚌埠的大路刚开出不远，迎面来了一支支前的民兵队伍，但民兵们都误以为是解放军的坦克，竟然往两边闪出一条路来，让坦克通过。胡琏见状，急忙催促驾驶员快开。民兵们被坦克卷起的烟尘呛得喘不过气来，都抱怨开坦克这伙计太鲁莽。
胡琏一路呼啸而去，一直到中午，坦克没油了以后，才在一处偏僻的田野里停了下来，在两个驾驶员的搀扶下，往蚌埠逃去。
再说黄维，可没有胡琏那么好的运气了。刚开出不远，坦克的发动机就坏了。黄维吓得爬出坦克一头扎进了一片麦田里。他在地上趴了不久，就被两个持枪的解放军战士俘虏了。
“你是干什么的？”
“我是14军军部上尉司书。”
随后，他这个冒充的上尉司书就被押回了俘虏收容所。在收容所进行登记的时候，黄维在登记簿上写下了：“方正馨，江西弋阳人，14军军部上尉司书。”当对他进行审问时，问他哪年入伍，每月薪水多少时，黄维半天也答不上来。
后来，曾经给黄维当过马夫的新战士李永志认出了他。此时，黄维再也无法隐瞒，只得承认：“我是黄维。”
至此，黄维作了我军的俘虏，第18军军长杨伯涛、兵团副司令兼第85军军长吴绍周也先后被俘，只有胡琏狼狈地逃回了蚌埠，12兵团全军覆没。
黄维兵团被全歼的消息传到了南京，举座皆惊。蒋介石用手哆哆嗦嗦地翻看着报纸上关于前线的报道。屋里顾祝同、何应钦噤若寒蝉，大气也不敢出一声。
突然间，蒋介石破口大骂：“陈赓！又是你陈赓！我没有你这个学生，我没有你这个不肖之徒！黄埔叛逆！”
黄维的问题，几乎让他耗尽心血，但还是败得这么惨！他的12兵团全军覆没！黄维被俘！实在让人痛心。
这时胡琏进来，一副狼狈不堪的样子。他是那天同黄维一起坐坦克逃跑的，可黄维被俘，他侥幸逃脱。全军覆没，只身逃回，他惶恐万状，见到蒋介石，头都不敢抬起来。
蒋介石不容分说，劈头就问：“为什么不听我的命令，在飞机掩护下白天突围？”
胡琏说：“尖谷堆失守，共军控制了制高点。”
蒋介石：“为什么不把尖谷堆拿下来？18军是我的主力……”
胡琏有口难言，他说：“12兵团已困守20多天，饥寒交迫，四次争夺尖谷堆均失败，我们已没有力量夺回阵地……”往下，胡琏没有再分辩，望着蒋介石说：“学生有罪，请校长责备。”
蒋介石一听，叹了一口气，转过脸来说：“那你就任12兵团司令官，组建新的兵团，到国防部去商讨细则。”
胡琏感恩戴德地退了下去。
蒋介石兀自余怒未息，还在大骂陈赓。
随着黄维的被歼，第二阶段的决战拉下了胜利的帷幕。12月18日，中央军委和毛泽东主席发来了《贺淮海战役第二阶段大捷电》。