中野3纵、9纵直取宿县。津浦路徐州至蚌埠段，是徐州同南京的陆上交通线，在海州、连云港被解放，陇海线被切断，徐州失去了海上交通后，更显重要。一旦这条交通线被切断，徐州地区的国民党军就将陷入粮尽弹绝，后退无路的困境。而北距徐州七十五公里，南距蚌埠九十公里的宿县，正扼徐州、蚌埠之间南北要冲，战略地位极其重要。徐州剿总以此为补给基地，存放有大量军需物资。就这样一个咽喉要地，国民党军在多次调整部署时却都没布置强有力的守备部队。当时担任守备的只有25军的148师和一个交通警察总队又一个大队，1.3万人。刘峙鉴于148师的战斗力较弱，在11月上旬刘汝明部队由开封撤往蚌埠时，再三要求其留下一个主力师担任守备。但刘汝明却未留一兵一卒。
11月13日，3纵、9纵包围宿县。
11月15日凌晨，3纵开始攻击，迅速肃清外围，于十七时总攻城垣。守军凭借又高又厚的城墙，又宽又深的护城河和坚固的防御工事，负隅顽抗。3纵以连续爆破作业炸开城墙，突入城内，战至次日三时，全歼守军，俘虏津浦路中将护路司令兼宿县最高指挥张绩武，缴获大批军需物资。与此同时，豫皖苏地方部队攻占蚌埠以北的固镇，还破坏了津浦路曹村至固镇铁路近百公里。
中野徐蚌线作战的胜利，尤其是攻占宿县，具有极其重要的战略意义：切断了徐州国民党军唯一的补给线和退路，彻底孤立了徐州主力，将徐蚌线国民党军分割为南北两股，有利于以后逐个消灭。毛泽东称赞攻占宿县是一个伟大的胜利。至此徐州国民党军海陆退路均被切断，为解放军就地歼灭创造了极为有利的条件，解放军淮海决战的胜利格局基本已经确立。
至此，淮海战役第一阶段胜利结束，从11月6日至11月22日历时十七天，华野、中野共歼灭国民党军一个兵团部，八个军部，十八个整师。毙伤50500人，俘虏96600人，投诚起义30900人，合计178000人。(其中华野歼敌约140000人)而中野攻占宿县，更是取得了极为有利的战场主动。第一阶段作战中华野伤亡4.9万，中野伤亡0.8万。