天亮前，第10纵队已占领李家集、侯集、大张圩至不老河一线，并用炮火控制徐州机场;第7纵队占领大许家至单集一线;第11纵队占领李农井至邓家楼一线。各纵迅速构筑了工事，布置了火力。天亮后在距碾庄约四十公里的团山、张楼一线，第7、10纵队与邱、李兵团的第一梯队激战竟日，顽强顶住了国民党军第一天的进攻。
11月13日，邱、李兵团投入了六个师的兵力，在飞机、坦克的掩护下，展开了更猛烈的攻击。解放军采取正面顽强抗击，侧翼积极出击的战术，与国民党军逐村逐地争夺，双方伤亡都很惨重，天黑前，解放军退守五桥、新庄、薛山一线。经两天的激战，国民党军推进三至六公里，到达殷山、盛山、董庄一线。杜聿明据此速度推算，七天可以打到碾庄。而蒋介石仍嫌进展太慢，于13、14日连续电令刘峙、杜聿明，全力东援星夜推进，务必于15日到达碾庄。
同一天，由韦国清、吉洛指挥的第2、12、中野11纵，从东南面逼近徐州，在大王集包围了孙良诚的第107军，一举消灭第261师，迫使孙良诚率军部和第260师投诚。
11月14日，邱、李兵团的攻击遭到更为顽强的抗击，全天伤亡数千，损失坦克五辆，却只推进两公里。大挫邱兵团的锐气，邱清泉电告黄百韬："连日猛攻，匪顽抗异常，每山每村均死守不退。"要求黄百韬向西出击，在曹八集会师。
11月15日，邱、李兵团以七个师的兵力，在二十辆坦克和飞机支援下，分三路向解放军防御阵地猛攻。在正面攻击未果的情况下，杜聿明将总预备队的第74军从九里山调出，由潘塘经双沟迂回，攻击解放军侧后，以迫使正面解放军后撤。不料在潘塘遭遇也同样担负迂回任务的解放军华野第2、12、鲁中南纵队和中野11纵队，随即被歼一个营，便转守为攻。杜聿明立即增派第12军、70军各一部和骑兵旅，以阻止解放军从徐州东南的迂回突入。
根据徐东战场的形势发展，中央军委于13日、14日连续四次电示粟裕，留下黄百韬兵团残部作诱饵，宋、刘阻击部队稍向后撤，引诱邱、李兵团深入，再以韦、吉的迂回部队切断邱、李退路，而后消灭邱、李两兵团。为实现这一作战意图，粟裕于当日黄昏命令攻击黄百韬兵团的主力暂停攻击;宋、刘阻击部队向后稍撤;韦、吉所部也暂停攻击，进一步诱使邱、李兵团向东，以便断其退路。
11月16日，解放军的上述行动果然使刘峙、杜聿明作出错误判断，认为解放军有全面溃退的可能，决定命令邱、李兵团实施追击，黄百韬以有力部队向外出击，夹击解放军。