11月14日，对黄百韬兵团的攻击已连续三天，虽攻下多个村庄，歼灭第44军、100军大部，第64军、25军一部。但伤亡较大，进展比预计的缓慢。同时由于部队在前一时期追击黄百韬兵团时，前进太快，加上战斗激烈弹药消耗很大，后勤补给发生了困难。有的部队已用完了所携的三个基数的弹药，粮食供应也有脱节，有部队已把当地群众的麦种甚至杂粮吃完，为此，粟裕急令后方火速运送弹药、粮食。鉴于战斗进展迟缓，粟裕于当晚召集攻击部队的纵队司令会议，研究战况。针对黄百韬兵团中第25军、64军战斗力较强，第44军、100军较弱，决定采取"先打弱敌，后打强敌，攻其首脑，乱其部署"的战法。为减少伤亡，实行土工作业迫近敌军阵地，插入各村之间，再逐一消灭。并将特种兵纵队和各纵的重炮共八十门，集中编为三个炮兵群，分别支援三个方向的攻击。攻击集团由山东兵团副政委谭震林，副司令王建安统一指挥。毛泽东也十分关注碾庄战况，对于伤亡情况特别要求作十万人伤亡的准备，坚决消灭黄百韬兵团。
11月15日，根据中央军委诱歼邱、李兵团的部署，攻击黄百韬的部队暂停攻击，乘机抓紧这一时间，整顿部队调整部署，组织火力，并加紧近迫作业，准备新的攻击。
11月16日，谭震林下达攻击命令，9纵由南向北主攻碾庄圩。8纵以一部监视大小院上、三里庄一线的64军，主力协同第4、9纵队从东南面攻击碾庄圩。如在攻击碾庄圩时64军前来增援，8纵则坚决将其消灭。4纵以一部由西向东攻击碾庄圩，主力监视尤家湖的25军，如在战斗中25军前来增援，将由4纵将其消灭。13纵先肃清前黄滩，然后将主力集结于碾庄圩以西，担任预备队，视情况从4纵突破口投入纵深战斗或截击向西突围之敌。6纵先攻占后黄滩，然后将主力集结于碾庄圩西南，担任预备队，视情况从9纵突破口投入纵深战斗或截击向西南突围之敌。黄昏时，各炮群开始火力急袭，然后在坦克掩护下发起攻击，由于没有步坦协同经验，起初攻击未果。解放军重新组织，以每晚攻占一两个村庄、歼敌一个团到一个师为目标，逐点攻击逐村争夺。
11月17日，国民党军参谋总长顾祝同亲自乘飞机飞临碾庄圩上空，用电台与黄百韬通话，为其鼓励打气。告之外线邱、李兵团遭到顽强阻击，难以前进，要他在必要时率部突围，与邱、李会合。但黄百韬一直认为自己既不是黄埔系，又不是江浙人，蒋介石给他的总统府通行证编号为17号，比有些嫡系将领还要前面，这说明蒋对他的信任之重，所以在历次作战中都是竭尽全力，攻守得当。此次陷入重围，已抱必死之心，决心凭借战斗力较强的25军和64军，死守到底。
11月18日，解放军经过激战，先后攻占前、后黄滩，战斗异常残烈，44军150师师长赵壁光见阵地上火势熊熊，烟尘弥漫，尸横遍野，惨不忍睹，加上部下也不愿再战，便率150师残部约2500人向解放军投诚。战至中午，44军、100军被全歼，44军军长王泽浚被俘。100军军长周志道重伤，副军长杨诗云被俘。