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7月1日下午，西線邱兵團進至距區兵團約10公裏的過莊、官莊、屈砦、張閣一線，與華野阻擊部隊展開激戰。在東線，蔣介石又將北援兗州的整二十五師調回，與第三快速縱隊和警第二總隊組成一個兵團，以黃百韜為司令，由東向西增援區兵團，並已抵達被包圍七十二師所在地鐵佛寺以東約10公裏的帝丘店地區。當時圍殲區兵團的戰鬥正激烈進行，而東、西兩線蔣軍援軍兩個兵團又一齊來，戰場形勢很快發生了重大變化。在這異常緊急的情況下，華野對敵我情況重新作了全麵分析，認為華野突擊、阻援兩個集團的作戰能力和可以爭取的時間上看，仍然具備殲滅區兵團的條件。於是粟裕當機立斷，立即調整部署，增強阻援力量，同時加速攻殲被圍之敵。7月1日晩，華野以三個師的絕對優勢兵力圍殲龍王店守敵，經一小時炮擊後，開始爆破突擊。部隊冒著蔣軍的火力，前仆後繼，猛打猛衝，粉碎了蔣軍在噴火器、坦克支援下的頑抗和瘋狂反撲，激戰至2日淩晨，將區兵團部、整七十五師師部及第十六旅一個團全部殲滅，活捉兵團司令區壽年和師長沈澄年。在此期間，華野東、西兩線阻援部隊的英勇阻擊，有力地保障了殲滅區兵團作戰的勝利。曾在6月30日，蔣介石攜空軍總司令周至柔乘飛機到杞縣上空督戰，並以殺頭威脅邱清泉迅速攻擊前進，與區兵團會合。邱清泉傾其主力，在飛機、坦克和大炮的支援下，對華野阻援部隊瘋狂進攻；特別在姚林崗、許崗一線，蔣軍每日發動三、四次攻擊，華野阻援部隊依托陣地，頑強抗擊。蔣軍每突破一個村莊和陣地，阻援部隊立即組織反擊，同蔣軍短兵相接，反複衝殺，奪回陣地，終於挫敗了邱兵團猖狂進攻，並大量殺傷了蔣軍，活捉了不少俘虜。在東線，由突擊集團抽出的中野十一縱及華野一、六縱各一部，經過激戰也阻住了黃兵團的猛烈攻擊，使其無法與相距不足5公裏的整七十二師會合。7月2日晨，當區兵團部和整七十五師師部被殲後，戰場形勢立刻發生了有利於華野的重大變化，除留少數部隊繼續殲滅整七十五師殘部外，主力便轉用於其他作戰。
粟裕在華野攻克開封，又在睢杞地區殲滅大量援敵，認為已經基本達到預期的戰役目的，鑒於部隊經過連續作戰，減員較大，十分疲勞，便考慮到下一步任務，主要是組織部隊勝利撤出戰鬥，轉入休整。但麵對兩路強大援敵，如何組織部隊順利轉移，華野再次作了分析研究，認為：被包圍的整七十二師是被殲後重建部隊，戰鬥力不強，已構築較堅強的工事轉入防禦，隻需用少量部隊予以監視就不會出來，對華野部隊轉移影響不大。而兩路援敵雖遭阻擊後不甘失敗，仍由東、西兩麵來夾擊，胡璉兵團也正由南向北攻擊前進，尤其是黃百韜兵團，增援積極，已進抵帝丘店附近，對華野從戰場東部撤出威脅較大，如不給黃兵團以有力打擊，在轉移時攜帶大批傷員，難以撤出戰鬥，即使撤出，各路蔣軍也會尾追而來，使我軍陷入被動。於是乘黃兵團經過長途跋涉，尚未全部展開，戰鬥力相對減弱之機，先聲奪人，給運動中黃兵團以殲滅性打擊，為轉移休整創造條件。同時決定：迅速殲滅區兵團殘部，對邱兵團起威懾作用，使華野轉移時不敢緊跟尾追。7月2日，華野向部隊下達作戰命令，區分了任務：以三、十縱及八縱一部，繼續阻擊邱兵團；以八縱大部和兩廣縱隊，東移攻殲黃兵團；以中野十一縱監視蔣軍整七十二師，並作為戰役預備隊。
當時，華野部隊異常艱苦，連續行軍作戰，傷亡消耗逐漸增大。加上戰區久旱不雨，井河幹涸，又值炎夏烈日曝曬，飲水奇缺，晝夜苦戰，體力漸弱；但部隊在共產黨的堅強領導和戰時政治工作的有力保證下，發揚不怕疲勞，不怕傷亡，連續作戰的光榮傳統，以驚人的毅力克服和忍受各種困苦，於7月2日晚又投入新的戰鬥。按下達的作戰命令，突擊集團以一部兵力迅速全殲了蔣軍整七十五師第十六旅旅部及兩個團，主力則在黃兵團正向華野阻擊部隊進攻時全線出擊，對黃兵團實施合圍。3日晨，完成了對黃兵團的大包圍，乘敵立足未穩，無堅固工事可守的條件下，華野部隊冒著蔣機轟炸，展開白天攻擊，縮小包圍圈。到3日晚，四縱攻克任莊、朱莊、阮莊、袁莊、楊樓、田花園等地，殲二十五師一部。六縱攻克馬口、何莊並在楊橋殲蔣軍快速縱隊全部。4日，四縱殲劉莊守敵700餘人。一縱從3至6日拂曉，全殲蔣軍二十七師一個團另兩個連。把黃兵團圧縮於帝丘店及其外圍10餘個村莊內。5日，黃兵團步兵由坦克引導開路，在飛機和炮兵火力掩護下，由帝丘店附近實施瘋狂反撲；經7個小時激戰，華野部隊予蔣軍大量殺傷，將其擊退。黃昏後，華野部隊再次對黃兵團發起攻擊，至6日晨，又殲其一個多團。這時，黃百韜感到自身難保，驚恐地把部隊收縮至以帝丘店為中心的狹小地域。在華野部隊圍攻黃兵團過程中，西線援軍邱兵團在得到劉汝明部的加入後，主力避開華野部隊阻擊正麵，由華野阻擊集團右側向尹店迂回前進，東線蔣軍整七十四師已進至寧陵及其以西地區；張軫集團（臨時組編為吳紹周兵團和楊幹才兵團）、胡璉兵團雖被中野阻於淮陽、商水地區，但仍被嚴令其兼程北援，胡璉的先遣部隊正向太康急進中。此時，華野鑒於已給黃兵團以殲滅性打擊，為保持主力，於7月6日命令部隊於當日晚撤出戰鬥，分別向睢杞以北及魯西南轉移。至此，豫東戰役第二階段的睢杞戰役勝利結束，又殲蔣軍50000餘人。