11月7日，蒋在黄埔官邸召集军事会议，会上已接到黄百韜兵团被围消息，决定以李弥兵团守徐州，令邱清泉、孙元良两兵团回徐州东进，以解碾庄黄百韜兵团之危。
由此证明统帅部对于前线情况并不确切了解。
11月8日，防守运河一线的第三绥靖区所属两个军部、三个半师，共2万3千馀人，在台儿庄、贾汪地区投向中国共產党。
原驻徐州东北枣庄、台儿庄地区之第三绥靖区所属第五十九军、第七十七军，此时在中国共產党地下党员、绥靖区副司令官何基灃、张克侠率领，四分之三以上之官兵投向中国共產党。
解放军因得第三绥靖区冯治安、张克侠所部三个半师阵前起变，以主力迅速南下，佔领徐州以东碾庄至曹八集一带地区，把原驻新安之黄百韜兵团隔绝包围。
粟裕后来给中央报告，说战机就是四小时；如果何基灃、张克侠不投共，就没有包围黄百韜的战机。
黄百韜撤退目标，第一步是碾庄，各军到碾庄会齐后，再往西向八义集，大许家开进。
因为一座桥不够用，他令第二十五军及第一百军，分别在牛山、砲车两处佔领阵地，对东、北两方警戒，掩护第六十三、六十四、四十四3个军通过运河。
解放军陈毅部，先以其第二、十一、十二3个纵队，把第六十三军包围于窰湾，经过2天多血战，该军主力覆没，其强渡运河一部，也在运河西岸落败。
第二十五军因为掩护友军，遭受创伤。
第一百军之第四十四师渡过运河之后，没有遵令到碾庄集中，直奔八义集，也被解放军夹击歼灭。在这场序战中，黄百韜部即损失五分之一以上兵力。
黄百韜于兵团主力渡过运河后，召集各军长在碾庄开会。
多数人主张依照兵团既定部署，兼程前进，趁解放军主力尚未完全通过运河铁桥之前，撤向大许家。但有人坚持不走，要在碾庄凭藉第十三兵团已设阵地，跟解放军打上一仗再说。
恰巧国防部来一道电令：大意是黄百韜兵团未过运河，已受挫失，如继续行进，万一被解放军尾追，恐有被击破之虑。
当前行止，由黄百韜视状况自行决定。
如有必要，在碾庄集结整顿，打退敌人之后再走亦可。
黄百韜兵团便决定留在碾庄及其附近地区，固守待援。
陈毅也亲率其第一、二、四、六、九、十一、十二、十三、新八等9个纵队，向黄百韜兵团围攻猛扑。
解放军行军速度超出预料，在一日之内，华东野战军3个纵队，就攻佔碾庄与徐州之间曹八集等各据点要道。
11月9日，杜聿明回到南京，发觉国军主力还在徐州附近，黄百韜兵团且已被围。
前面所说在蚌埠附近决战之计划，已经不能实施。
11月10日下午，蒋在官邸会报中，核定国防部所提新作战计划，并嘱杜聿明即刻回徐州指挥执行。蒋以亲笔致函黄伯韜：「焕然司令官勋鉴：此次徐淮会战，实为我革命成败、国家存亡最大之关键，务希……同心一德，团结苦鬬……」
当晚，杜聿明即乘专机飞往徐州，因为飞机迷失方向，直到午夜以后才到徐州降落。
他见刘峙，并听取主管情报人员有关敌情报告之后，认为目前徐州四周，虽然都有解放军，但不可能都是敌之主力。
黄百韜见势不妙，希望李弥第十三兵团协助撤退。
李弥拿出刘峙命令，执意按计划回撤，拒绝援助。
此时徐州南方战况，由于宿县之孙元良第十六兵团北撤徐州，而协防宿县之刘汝明第四绥靖区也向南撤。
由于刘峙指挥慌乱，蒋决定11月10日把杜聿明调回任徐州剿匪总司令部副总司令兼前进指挥部主任，具体负责指挥作战；同时命令邱清泉第二兵团和李弥第十三兵团由徐州向东攻击，为黄百韜第七兵团解围。
在蚌埠，以第九绥靖区改组建第六兵团，以第四绥靖区改组建第八兵团，两兵团将协同沿津浦铁路两侧向宿县推进。至此，徐州、蚌埠战场国军兵力增加到80万人。
11月11日，华东野战军将第七兵团合围于碾庄地区。
11月11日晚，杜聿明带一批幕僚人员从南京飞抵徐州，指挥会战。
11月15日，蒋介石专派参谋总长顾祝同与国防部第三厅厅长郭汝瑰飞赴徐州督战，严促刘峙、杜聿明东进，以解黄兵团之围。
同日，刘伯承将徐州、蚌埠之间，位于津浦铁路线上的宿县攻陷，切断了徐、蚌之间连络，也阻绝由蚌埠、固镇、蒙城几路援军北进之通路。
顾祝同召开军事会议，决定三路并进，「打通津浦线」
鉴于徐蚌会战规模越打越大，11月16日，中国共產党中央军事委员会决定由中原野战军司令员刘伯承、华东野战军司令员兼政治委员（同时兼中原野战军副司令员）陈毅、中原野战军政治委员邓小平、华东野战军代司令兼代政治委员粟裕、华中野战军副政治委员谭震林组成淮海战役总前敌委员会。