总攻发起之前，华东野战军又一次调整部署，以第3、第4、第10、渤海纵队及冀鲁豫军区部队编成东集团；以第1、第9、第12纵队编成北集团；以第8、第2、第11纵队编成南集团，分别担任主要突击。特种兵纵队的炮兵分别配属3个集团。
在战法上，采取各个歼灭与割裂突击相结合，割裂邱、李两兵团联系，首先歼灭较弱的李弥兵团，尔后再歼邱清泉兵团。另以第6、第7、第13、鲁中南、两广纵队为外围拦截部队。
1月7日，华野的主力攻占了李弥兵团司令部驻地青龙集，李弥一部的主力被歼灭，其盘踞的23个据点也被收复。当晚，李弥率残部慌张逃入邱清泉兵团防区——永城县陈官庄地区。
杜聿明向蒋介石告急，要求飞机轰炸，投毒气弹，掩护突围黄昏时分，杜聿明、丘清泉从陈官庄转移到陈庄，与李弥、熊笑三共谋对策。杜聿明仍主张次日即1月10日突围，但邱清泉、李弥、熊笑三都表示反对，坚决要连夜突围。杜聿明无奈，只好通知各残部“自决”，并向蒋介石发出最后一封电报：“部队已混乱，无法维持到明天，只有当晚分头突围。”
杜聿明与邱清泉商量后，决定以第5军为先锋，在空军掩护下杀开缺口。第5军是国民党军嫡系中的精锐部队，“五大主力”之一，是国民党军第一支机械化部队，曾参加过印缅远征军。杜聿明就是该军的首任军长，而邱清泉也曾担任过该军军长。尽管连日战况空前惨烈，邱清泉也一直没使用第5军，就是为了在最后关头使用。
9日，杜聿明集团在20多架飞机掩护下，施放着毒气，利用火焰喷射器夺路向西突围。第5军军长熊笑三亲临担任突击任务的第200师指挥，对郭营、刘楼、王花园、左砦发动攻击。
该师是第5军的建军师，曾在印远征缅抗战中立下过赫赫战功，名震中外，战斗力最强。然而在华野9纵、8纵等的迎头痛击下，第5军仅攻占了左砦，没能打开缺口。计划多日的突围宣告失败。4、10、3纵队等部奋力进击，直捣杜、丘之指挥中心——陈官庄、陈庄。
9日这一夜，被粟裕称为“迅速、惊人、巨大的发展，是全战役最重要、最紧张、最精彩的一个阶段，也是接近最后一幕的最生动场面。”第3、4、13纵队齐头并进，突破了杜聿明最后的防线，直逼陈官庄，解放军以十一辆坦克搭载一个加强步兵连与骑兵团组成快速部队，追歼残敌。
决战到了最后关头，华东野战军的战士分外精神，分散在地堡和交通沟里，磨枪擦炮，就等着冲锋的命令。
“时间过得真慢啊！”在交通沟里的指导员李子平有些急不可耐。不知什么时候，李子平发现自己的帽檐和睫毛上都结起了霜花。
这时，隐隐约约听到，对面小土圩里人声嘈杂。
“看来敌人已乱成一团”。李子平心里想。它们夜间盲目炮击的声音越来越少了。快到拂晓，北面传来了炮声，大家知道其他部队已经发起攻击了。
“马上突击！”营长发出了命令。
战士们立刻跃出交通沟，一闪就跨过了大约是五十米的开阔地，冲进圩子，借着昏昏夜色，看见茫茫平原上，物资散乱，人马杂沓，成千成万的人在向后跑。他们也就乘势穷追，一个连队一头钻到敌人堆里。四面在呼喊，四面有枪声，分不清东西南北，也不知道哪里是陈官庄了，只顾向敌人最多的地方猛插猛打。
部队边向前攻击，有的战士看到那么多枪械，顺手拣几支背上，跑几步换一支，跑几步再换一支，最后体力不行了，李子平大声喊：“先不要拣枪，赶快快前进！”
一边跑，一边就有成群结队放下武器的国民党军向他们投降，问：“往哪走，往哪走？”战士们向身后一指，又往前飞跑。……
一个路跑了十来里路，棉衣都湿透了，越跑越重，而敌人却越来越多。
怎么办呢？正在为难时，忽然身后打来了一群炮弹。
李子平当时不明白为何自己的身后会有炮弹打来，后来才知道，因为自己的队伍前插太快，连炮弹也落后了。
炮弹一响，成千的放下武器的敌人，自动集合起来，汇成二十几路巨大纵队，直向我们后方推去，像被暴风雨冲刷的潮流。零散的俘虏也被卷了了进去，使这股潮流越来越大。
俘虏中带头的人看见打进来的李子平部队，摇着白手巾，有的拍手，不住地高喊：“欢迎解放！欢迎解放！”李子平刚向他们讲了几句话，一个满脸络腮胡子的人突然叫住他：“官长，这个给你！”他掏出一支驳壳枪来，外加五十发子弹。
天色渐明，看看周围，李子平才发现正处在一大群帐篷和地堡中间。有军用帆布帐篷，有降落伞搭的帐篷；有迫击炮筒盖顶的地堡，有把汽车翻过来盖顶的地堡……
他们走进一顶大帐篷，火堆旁的人见了，都站了起来。其中一个恭恭敬敬地说：“报告长官，这是我们的武器，八十发子弹一发也没有放！”地上果然放着buqiang和机关枪，旁边是鼓鼓的子弹袋。他们烧什么吃呢？一看：满罐马血。
李子平问：“这是什么地方？”
“报告长官，这里是陈官庄。”一个俘虏兵回答。
啊？李子平大吃一惊，原来自己已经插到杜聿明的总部来了。若不是几座仅存的破茅屋和断墙，李子平还以为这是个墓地呢。
在离此不远的一片平地上，有几百个长方形的小土炕，有些被雪埋平了。李子平揭起炕上的被子看看，全是伤兵，不少已冻死了，还活着的一看到他们，连声求救。
另外一一道几里长的沟，也几乎被尸体和伤兵填满了。一个半死不活的伤兵流着泪说，他们都是从前方抬到这里的，医院不收，担架兵没办法，把担架扔下跑了。
天亮以后，蒋介石派来了许多飞机，到处轰炸，重磅的美国炸弹、用筐子装的迫击炮弹，从空中往下倒。
这时，已圆满完成了战斗任务的野战军奉命撤出陈官庄。一个同志跳上汽车，大声对俘虏们说：“谁会开汽车，站过来！”一下就过来了十几个汽车司机。李子平带领全连立即跳上几辆美造十轮大卡车，一阵风离开了陈官庄。
10日拂晓，华野四纵、十纵在三纵的配合下，攻克了杜聿明指挥所所在地陈官庄，四纵与兄弟部队配合，攻下了邱清泉兵团指挥部。国民党军各部失掉了指挥中心，整师整团向我军投降。
10时，战斗基本结束。10日下午，少数残敌退到陈官庄以西及西北侧的刘集、周楼一带，妄图作最后挣扎。华野4纵、10纵紧追不舍，9纵、8纵、渤纵也急速从其他三面将刘集、周楼包围，3纵则直插敌阵。30分钟后，敌阵被完全攻破。此时，敌坦克部队从周楼向西北突围，至奶奶庙被河沟所阻，复由北而绕过，逃向夏邑会亭集以西，其中两辆坦克在胡桥为解放军地方部队俘获，所余六辆被华野骑兵部队于会亭集西南歼灭。至此，陈官庄地区围歼战结束。