就在国共双方鏖战东北的同时，国军在中原战场的形势也每况愈下，在共军的不断打击下，国军损兵折将，不断丢失城池。1948年8月，国军徐州剿总和华中剿总依据南京军事会议决定的战略方针，进一步加强了中原各战略要点的防御工事和兵力，将7个兵团分别部署在以徐州、信阳为中心的地区。1948年7月初豫东战役后，中共中央军委于7月14日指示华东野战军准备攻取济南，相机歼灭部分援敌；8月28日，华东野战军代司令员兼政治委员粟裕受命统一指挥攻济打援战役。8、9月间，蒋介石从徐州、青岛等地空运部队至济南，并拟定了一个27万人的会战计划，意图长期固守济南，屏障徐州，隔断中共华东、华北解放区的联系，钳制华东野战军不能全力南进。

1948年9月9日，解放军攻城西集团自济宁、汶上向济南隐蔽开进，东集团亦于13日自泰安、莱芜、章邱等地开赴济南，济南战役开始。9月15日，解放军包围长清城，并于16日夜发起全线猛攻，西集团在歼灭守军后迅速迫近济南西郊，东集团也一举攻克茂岭山、砚池山及回龙岭等制高点。9月17日，蒋介石调徐州剿总副总司令杜聿明率第二兵团经鲁西南北援，并下令第7、第13兵团分由新安镇及固镇地区向徐州集结，准备沿津浦路北攻。粟裕获此情报后，立即下令解放军打援、阻援兵团迅速进入阵地。9月18日，解放军攻城西集团攻克古城、玉皇山、簸箕山、党家庄等地，以炮火封锁了济南机场，切断了国军的空中运输线。9月19日，国军96军军长吴化文率整编84师起义，撤离战场，解放军遂于20日占领商埠以西阵地。

鉴于形势恶劣，国军济南守将王耀武请求突围，但遭到蒋介石斥责，严令其坚守待援。9月22日，解放军攻城西集团占领商埠，东集团也肃清了城东残敌，直逼济南城下。当晚，解放军攻城集团各部不经休整即发动总攻，突入外城，与国军展开激烈巷战，至23日基本占领外城。9月23日，解放军又向内城发起总攻，几经苦战于24日占领济南全城，王耀武化装出逃，在寿光县被解放军俘获，而此时国军的各路援军却还在进兵途中。

济南失守后，菏泽、临沂、烟台等地国军纷纷撤逃。此外，中原野战军也在这一期间辗转活动于南阳、确山间及大洪山、桐柏山和许昌、漯河以西地区，牵制了国军白崇禧集团各部，使之无暇增援济南。占领济南使中共华北、华东两大解放区完全连成一片，津浦路徐州以北至天津以南段及胶济路青岛以西段全部为共军所控制，大大改善了解放军支援前线的条件，使华东野战军能全部南下，协同中原野战军在陇海路以南进行更大规模的歼灭战，逐次歼灭徐州地区国军。

济南战役后，国军统帅部对中共华东、中原两野战军动向作了多种判断，认为二者在陇海铁路以南联合发起新攻势的可能性较大。于是，蒋介石决定，徐州剿总放弃郑州、开封、菏泽、临沂、海州，缩短战线；将郑州地区的第16兵团东调，撤销第9绥靖区，其所属第44军由连云港海运南撤；华中剿总的第12兵团改归国防部指挥，由豫西南阳、泌阳东移确山、驻马店，准备转用于徐州、蚌埠地区。辽沈战役结束后，蒋介石为避免徐州剿匪总司令刘峙重蹈东北剿总卫立煌全军被歼的覆辙，于11月4日派参谋总长顾祝同到徐州研究作战方略。11月5日，顾祝同、刘峙召集军事会议，确定采取备战退守方针，一面向徐州、蚌埠间收缩兵力，以攻势防御，确保该段交通，保卫南京、上海，一面从徐州撤退物资和非战斗人员，以备在形势不利时放弃徐州，全军南撤淮河以南，依托淮河抗击解放军的进攻。据此，蒋介石于11月6日进行了军事部署，向徐州、蚌埠地区调集了五个兵团、三个绥靖区，连同徐州剿总原有直属部队、特种部队共29个军约70万人，同时以华中剿总司令白崇禧的2个兵团、4个绥靖区部队共23万人，防御平汉线南段及长江中游地区，钳制中原野战军。蒋介石声称：徐淮会战是政权存亡最大之关键。（台湾将淮海战役称为“徐淮会战”或“徐蚌会战”）

中共方面，在9月24日济南战役结束时，粟裕即向中共中央建议乘胜发起淮海战役，攻歼淮阴、淮安、宝应、高邮、海州、连云港之敌，为夺取徐州创造条件。9月25日，毛泽东复电同意华东野战军进行淮海战役，并于10月11日发出了作战方针的指示，14日又指示中原野战军主力夺取郑州、开封，吸引徐州剿总分兵西顾，以一部兵力在平汉铁路以西、以南积极活动，牵制白崇禧集团，使之不能调兵东进徐州、蚌埠地区，配合华东野战军作战。11月7日至9日，鉴于辽沈战役的胜利和中原野战军已经攻占郑州、开封，正同华东野战军会合，中共中央决定扩大淮海战役的原定规模，下令中原两野战军加入战役。淮海战役开始后，中共中央于11月16日任命了淮海战役总前委，成员包括中原野战军司令员刘伯承、中原野战军副司令员兼华东野战军司令员兼政治委员陈毅、中原野战军邓小平、华东野战军代司令员兼代政治委员粟裕和华东野战军副政治委员谭震林。

11月6日，淮海战役正式打响，从此日至11月22日为战役第一阶段。11月6日晚，华东野战军主力以求歼国军黄伯韬第7兵团为目标，向新安镇地区急进。11月7日晨，第7兵团部率第25、第44、第64、第100军由第63军担任翼侧掩护，自新安镇地区沿陇海铁路西撤，经堰头、窑湾西渡运河，华东野战军立即改变部署，展开猛烈追击、截击。11月8日，国军第3绥靖区副司令官、中共地下党员何基丰、张克侠率第59军主力2个师和第77军1个半师共2.3万人在贾汪、台儿庄地区起义，徐州剿总司令刘峙得知后，急令正在转移中的第2、第7、第13、第16兵团等部向徐州收缩靠拢。为阻击国军撤逃，粟裕下令华东野战军各部队急行军，力求迅速围歼第7兵团，并拖住其余各路国军。11月10日，华东野战军三个纵队越过国军第3绥靖区防地进至徐州以东、大许家以西地区，控制了阻援阵地，向西追击的6个纵队也成功抢渡运河，在第7兵团刚刚到达碾庄圩地区时，即从北、东、南三面逼近。至11月11日，华东野战军已将第7兵团4个军合围在以碾庄圩为中心的狭小地区内，并在窑湾歼灭了63军。

另一方面，11月7日，中原野战军在华东野战军一部的配合下于对第4绥靖区国军发起攻击，在商丘东南张公店地区歼灭181师。11月11日晚，中原野战军开始徐蚌线作战。11月12日，华东野战军第4纵队在徐州以南夹沟歼灭北调徐州的第16兵团后尾一部，14日在三堡歼灭第3绥靖区余部，并同第3纵队、两广纵队及冀鲁豫军区两个独立旅，从南面、西南面逼近徐州。11月13日，华东、中原野战军共三个纵队经新安镇、宿迁迂回至徐州西南，在睢宁西北大王集地区歼灭国军107军1个师，军长孙良诚率一个师投诚。11月16日凌晨，中原野战军第3纵队在第9纵队一部配合下，攻克战略枢纽宿县。至此，徐蚌铁路被截断，国军刘峙集团陷于孤立。

第7兵团被围碾庄圩后，蒋介石于11月11日调第2、第13兵团全力由徐州东援，并以第16兵团守徐州，将第4绥靖区改编为第8兵团，指挥所属3个军，将第9绥靖区改编为第6兵团，指挥刚由东北撤至蚌埠的第39、54军，沿津浦铁路东西两侧向宿县推进，还下令第12兵团到达阜阳后继向蒙城、宿县进攻。此外，蒋介石还任命杜聿明为徐州剿总副总司令兼前进指挥部主任，协助刘峙指挥作战。11月11日，华东野战军向被围的国军第7兵团发起猛攻，但因准备不足且国军有空军掩护，解放军连续攻击3天，进展缓慢。随后，华东野战军调整部署，集中兵力，逐点攻歼，使攻击效率显着提高，至20日拂晓，歼灭第44、第100军全部及第64、第25军各一部，并攻占第7兵团部所在地碾庄圩，国军第7兵团司令长官黄百韬转至碾庄圩东北大院内，指挥残部继续抵抗。在华东野战军的连续突击下，至11月22日黄昏，国军第7兵团遭到全歼，黄伯韬被击毙。

从11月12日开始，国军第2、第13兵团在飞机、坦克掩护下，由徐州沿陇海铁路两侧并肩东援，华东野战军三个纵队对其进行了坚决阻击与侧击，至22日，国军被歼万余人，遭到重创。与此同时，中原野战军分别将国军第6、第8、第12兵团阻止在固镇以北任桥、花庄集一线和淝河以北赵集地区，有力地保障了全歼第7兵团作战的胜利。

从11月23日开始，淮海战役进入第二阶段，此阶段至12月15日结束。第7兵团被歼后，蒋介石调整部署，令已收缩到徐州的第2、第16兵团沿津浦路向南，第6、第8兵团由蚌埠、固镇沿铁路向北，第12兵团由赵集向宿县方向进攻，三路会师宿县，打通津浦路徐蚌段，改变不利态势，同时派参谋总长顾祝同到蚌埠指挥南线两路军的行动。11月23日，徐州、蚌埠两路国军尚未行动，第12兵团即向浍河南岸南坪集地区发起进攻，形成孤军冒进，解放军方面立即调兵在浍河以北部署围歼。11月24日上午，第12兵团强渡浍河，进入中原野战军预设的口袋阵，兵团司令黄维发觉处境危险，即令部队撤至浍河以西，向固镇方向转进，意图会同第6兵团再沿津浦铁路向北进攻。当晚，中原野战军各纵队全线出击，发起双堆集战役，至25日，将第12兵团合围于以双堆集为中心纵横各7.5公里的区域内。11月27日，黄维集中4个主力师向东南方向突围，被解放军击退，85军110师师长、中共地下党员廖运周在突围中率部起义。此后，黄维调整部署，构筑掩体，形成环形防御阵地，转入固守，中原野战军也改变战法，采取坚决围困，意图逐个歼灭。12月6日，解放军东、西、南三个集团全线发起攻击，至12日将第12兵团进一步压缩在双堆集南北5公里、东西1.5公里的狭长地带。12月12日，刘伯承、陈毅发出《促黄维立即投降书》，同时以华东野战军第3、第13纵队加入南集团，并以南集团为主，结合东西两集团直捣双堆集核心阵地。12月13日，解放军各攻击集团向拒绝投降的黄维第12兵团发起攻击，战至15日，全歼第12兵团，俘虏兵团司令黄维，结束双堆集战役。第12兵团下辖之第18军乃国军五大主力之一，至此也遭解放军歼灭。

与此同时，华东野战军以8个纵队共20个师（旅）的兵力在徐州以南夹沟至符离集之间设置了三道阻击线，将11月26日开始由徐州南进的国军第2、第16兵团阻止在孤山集、褚兰一带，另以5个纵队于11月25日南下，求歼固镇地区的第6、第8兵团，占领蚌埠以北曹老集车站。

国军三路会师打通津浦铁路的计划失败后，蒋介石决定放弃徐州，由杜聿明率第2、第13、第16兵团避开华东野战军的正面阻击，绕经萧县、永城南下涡阳、蒙城，先解救第12兵团，然后一起撤到淮河以南；由刘峙率徐州剿总机关乘飞机移驻蚌埠，指挥第6、第8兵团北进策应；同时令华中剿总抽调第20、第28军增援蚌埠。11月30日晚，杜聿明率3个兵团和徐州地区党政机关人员约30万人沿萧县、永城公路向西南撤退，徐州以南的华东野战军各纵队随即占领徐州并展开追击。12月1日，华东野战军以10个纵队另2个独立旅的强大兵力，发起大举追击、拦击，并于3日拂晓在孟集地区追上了杜聿明集团；此间，解放军迂回部队前出到永城东北，封闭了该国军向永城的逃路。正当杜聿明准备天亮后继续向永城撤退时，蒋介石突然令其改向永城以东濉溪口方向攻击，协同第6兵团南北夹击中原野战军，以解第12兵团之围。杜聿明虽感不妙，但还是改向濉溪口逐次攻击前进。接着，华东野战军则实行北、东、西三面攻击，南面阻击，至12月4日拂晓将杜聿明集团合围于陈官庄、青龙集地区，并于6日歼灭了向西单独突围的第16兵团，仅孙元良率少数人脱逃。

12月16日至次年1月10日为淮海战役的第三阶段。第12兵团被歼后，正在向双堆集靠拢的国军第6、第8兵团被迫撤回淮河以南，第1绥靖区部队也在12月9日放弃淮阴、淮安南撤，致使杜聿明陷入外无援兵，内缺粮弹的绝境。这时，解放军已经在华北发起了平津战役，为避免蒋介石海运平津地区的国军傅作义集团南下，毛泽东下令淮海前线各部暂停对杜聿明的攻击，采取只围不打的策略。12月16日，解放军前线部队奉命开始原地休整待命。此间，国军一万多人先后投降，但杜聿明仍奋力顽抗。1949年1月初，解放军在平津战场已经完成了对国军傅作义部的分割包围，而华东野战军也在20天的围困后，于1月6日发起陈官庄战役，对杜聿明集团进行全线总攻，战至1月10日，全歼杜聿明集团，生擒杜聿明，击毙第2兵团司令官邱清泉，淮海战役至此结束。随后，解放军占领蚌埠，前出至长江以北。

徐淮一战，国军在66天里损兵55万多，其中包括国军五大主力之一的第18军（至此，国军五大主力已全部被共军歼灭：74师－孟良崮，第五军－东北解放军冬季攻势，新一军、新六军－辽沈战役，18军－淮海战役），解放军则以13万余人伤亡的代价扫平华东、中原国军势力，直逼武汉、上海和民国首都南京。