与此同时，在碾庄圩的西面，邱清泉和李弥两兵团沿陇海铁路两侧，各以两个军的兵力向东进攻企图解围黄百韬：第8军进攻寺山，第9军进攻团山，第5军进攻魏集，第70军进攻邓家楼。
邱、李兵团的出发地距碾庄仅40公里，所以解放军的阻击部队只能在三十公里纵深内组织防御。这一地区，除了有几座标高一两百米的小山外，全是开阔的平原地带，对于国民党军而言，是有利于发挥其火力优势和机械化部队、坦克的机动。13日早上9点，飞机数以千计的炸弹和燃烧弹投到野战军的阵地，山、野、重炮齐发，一时乌烟弥漫天空，村落尽成瓦砾。
按照毛泽东的指示，野战军的决策是，决不能让增援的敌军到达碾庄圩，但也不能打得太狠让敌人缩回徐州。
华野为保障主力消灭黄百韬兵团，以第10纵队司令宋时轮、政委刘培善统一指挥第7、10、11纵队，在徐州以东大许家地区沿陇海路两侧组织防御，抗击邱、李兵团；10纵队在北面防御团山、寺山一线，7纵居中防御魏集一线。另以苏北兵团司令韦国清、副政委吉洛统一指挥第2、12和中野第11纵队，在徐州东南攻击邱、李的侧后，协助宋、刘的正面防御。
从军事地理上看，这里并不利于打阻击战，地势开阔，无险可守。于是，阻援部队决定集中兵力防御几个重要的据点，加大阻击阵地的纵深，采取节节抗击、不断出击的战法，将国民党军两个强大的突击兵团，死死地拖在这里。
7纵司令员成钧压力巨大，因为这是从没遇到过的面对强敌的阻击战。
在7纵的阻击地段，大部分是平原开阔地，只有一些小小的乱石山，构筑工事十分困难，却有利于敌人坦克的进攻。特别是，碾庄圩就在身后约四十公里处，阻击阵地纵深不足20公里，可供机动的余地很小。
成钧在阵地编成中突出重点，构筑了“品”字形支撑点，组织起强有力的第二梯队和反冲击小组，准备在此给敌人大量消耗。邱清泉兵团第5军200师的进攻十分猛烈，7纵一线阻击部队经过一天的战斗后，转移到薛山、大石山一线。
夜幕降临，在当地民众的帮助下，解放军连夜在满是石头的小山上构建工事。天亮了，国民党军步兵的进攻还没开始，工事就被敌人猛烈的炮火摧毁。19师的一个连在薛山光秃秃的阵地前沿连续打退敌人的三次冲锋，7班战士张龙喜用机枪顽强封锁着一个山口，山口中已经横陈着三十多具国民党军的尸体。
不过，由于防御地段同时受到第5军和李弥兵团第9军的协同攻击，14日黄昏，7纵再次从薛山、大石山一线后撤至乱石山阵地。
11纵队的当面是国民党军第70军。第70军火炮达70门以上，加上飞机的低空扫射，11纵队的阻击阵地上烈焰升腾。敌人在坦克的支持下蜂拥而上，11纵队官兵在阵地上顽强抗击一整天，黄昏时分两军步兵在阵地前沿相接，肉搏战的厮杀中阵地来回易手，天黑时前沿的一条战壕丢失。
接下来的两天，11纵队官兵扼守着马山、中山、张庄、刁泉等阵地。敌人的炮弹打来时官兵们躲在石缝中隐蔽，步兵冲来的时候再呐喊着冲上前沿。在狼山阵地上，92团的一个加强营抗击着敌人三个方向合击，战斗从上午打到黄昏，加强营最后仅剩下一个班的官兵，但阵地依旧在手。15日，根据上级命令，11纵队撤退到二线阵地。
宋时轮的10纵队扼守在团山、寺山一线，这是李弥的第8军和邱清泉的第5军重点攻击的地段。
10纵队28师抢占了约十公里宽的战地，仅用一天时间就挖掘出数条战壕和大量掩体。敌人的进攻开始了，84团2营抗击着整营整团的攻击，两军反复厮杀后都出现严重的伤亡。坚守在一个路口的苗树柏班，在人员伤亡、danyao将尽的情况下，他们同时控制着左右两面的敌人，当机枪子弹用尽时，班长苗树柏说：“就是用刺刀拼，用石头打，也要把敌人挡在寺山口之外！”
然后，他带领战士挥舞铁锹铁镐，硬是把当面的敌人顶了回去。
两个团的敌人已经冲上来了，4连和6连所有负伤的官兵都加入了战斗。7班副班长崔学元右腿三处中弹，一只脚被炸烂，依旧在扔手榴弹；卫生员于家深抓起枪直冲山顶，然后猛烈射击以压制敌人；最后，营教导员常俊邦把仅有的一排子弹交给副排长崔明纉，把最后一颗手榴弹交给战士杨光宝，命令他们向敌人发动最后的反击。战士们向黑压压的敌人冲了过去，这是2营一天之内发动的第10次反击。
在团山方向，李弥的第8军237师在猛烈的炮火支援下占领了团山。
第8军军长周开成不相信解放军会放弃这个山头，“上去一看，原来是座秃山，解放军是为了避免伤亡才撤走的”。他的预感是对的，当晚团山阵地就受到猛烈反击，国民党军很快就被赶了回去。
周开成认为，在飞机、大炮、坦克的协助下，两个兵团“一定可以救出黄百韬”。但是，在团山，一个被俘的解放军战士告诉他：“我们有很多部队，步步为营，村村为战，稳扎稳打，一定能吃掉黄百韬！”
杜聿明亲自来到团山，李弥命令周开成必须夺回团山的两个村庄。周军长叫人去向237师师长孙进贤传达他的命令：“杜老总亲来督战，要努力作战，千方百计夺回这两个村子。”
杜聿明目睹了第9军官兵反攻团山的战斗，巨大的伤亡令他吃惊。他对周开成说：“今天攻击部队虽然完成了任务，但伤亡太大，以后要设法减轻伤亡为好。”
这一天，杜聿明还目睹了第8军42师125团攻击侯庄的战斗。他原以为这个小村庄里顶多有解放军的一个连，于是42师命令炮兵猛烈轰击，准备在杜聿明面前打个漂亮仗。
但是，师炮兵阵地一开炮，立即受到猛烈的炮火压制，不但炮兵连长负了伤，团山指挥部也受到炮击，副师长李振甫被炸伤。在投入预备队并加强了一个战车营之后，125团终于在黄昏时打进侯庄，进了村才发现解放军踪影全无。
第8军参谋长袁剑飞说：“这一天第一线的攻击，除我部占领了侯庄外，全线都无进展。”
邱清泉在攻击战术上表现出令人奇怪的固执。他的一个坚定不移的判断是：gongchandang军队一向打了就走，因此只要坚持住，几天后如果无法结束战斗，他们就会主动撤退。因此，他拒绝了第5军参谋长陈毓秀提出的建议。陈参毓秀说，从南面潘塘方向对徐州以东解放军的阻击部队实施大迂回，也许能够迅速突破。邱清泉却坚持正面进攻：“只要共军一撤退，我们就算大功告成。”
第5军军长熊笑三也建议迂回作战：“如果这样打法，共军必然会逐次抵抗，极力迟滞我们的推进。这样不仅旷日持久，救不了黄百韬，而且我们因是正面进攻，反而会伤亡重大。”
邱清泉反问道：“如果迂回不成，被共军钳制住怎么办？”
邱清泉的参谋长李汉萍明白，从兵团的角度上讲，第74军被留在徐州当预备队，第12军112师是老东北军的部队，根本不敢用在第一线，因为他们没准在关键时刻就投靠了gongchandang，目前全兵团只有第5军能够使用。邱清泉不愿意为了黄百韬损失自己的主力，因此根本没有必要费大力迂回，正面进攻挺好打起来也方便。
13日，10纵队28师阵地受到第5军的猛烈攻击。在飞机轰炸和重炮轰击之后，数十辆坦克夹杂着步兵冲击而来，10纵队在官兵伤亡严重的情况下，不得不转移至二线阵地。
14日凌晨，82团1营宋家烈营长刚到解家台子阵地，就接到纵队司令员宋时轮的电话，宋时轮要求他们只要还有一个人，还有一口气，就不能把阵地丢了。上有敌机扫射轰炸，下有成团的步兵冲击，1营官兵死战不退。上午10时，坦克冲向了1营3连的阵地，3连1排不但要打坦克，还要向坦克后面的步兵实施反击。战至中午，1排只剩下7人，2排也只剩下8人，但是营长宋家烈依旧没有下达撤退的命令。
下午，1营所有的迫击炮和重机枪都没有danyao了，宋家烈咬紧牙关命令他们继续坚持，2连向敌人的侧面发起了最后一次反击，然后还活着的官兵分路突围而出。14日一整天，国民党军第5、第8、第9军各一个师，在飞机、大炮、坦克的掩护下，分三路向10纵队的阻击阵地发起了全线进攻，企图在10纵队防区的正面撕开一个缺口。
战斗一直持续到15日凌晨，邱清泉和李弥两兵团依旧进展缓慢。这时候，增援作战已经进行到第3天，增援部队只前进了不到十公里，如果按照徐州至碾庄圩的直线距离计算，邱清泉和李弥只推进了不到三分之一的路程。
这一结果，令南京国防部、徐州“剿总”和参战将领们大为意外。