經過6日、7日兩天戰鬥，華東野戰軍各部已經基本上殲滅了李彌兵團，重創邱清泉兵團。李彌兵團殘部紛紛向邱清泉兵團駐地潰散，邱清泉兵團陣地陷入極大的混亂之中。粟裕決心乘國民黨軍混亂之際，向邱清泉兵團展開圍攻。
麵對華東野戰軍的淩厲攻勢，杜聿明全身冒起了冷汗，他明白大勢已去。但他還心存僥幸，妄想能夠突圍出去，糾集戰鬥力較強的部隊組成突擊隊，在陣地發起了局部反擊。
第8縱隊首先遭到了國民黨軍在坦克掩護下發起的猛烈反擊。由於陣地寬，兵力密度小，第8縱隊打得比較艱難。蘇北兵團司令員韋國清發現這個情況後，當機立斷，決定從二線調部隊加強第8縱隊，堅決把國民黨軍的瘋狂勢頭打下去。韋國清把國民黨軍最新情況及兵團作戰部署向華東野戰軍代司令員兼代政治委員粟裕作了報告。
粟裕堅定地對他說：“杜聿明集團殘敵有向西突圍的可能。野戰軍司令部已經命令渤海縱隊快速繞道西進，在第8縱隊與第9縱隊的接合部投入戰鬥，現歸你兵團指揮，不必動用二線部隊。山東兵團要采取誘使國民黨軍向西突圍的部署，加強西部的防務。”聽完粟裕的指示，韋國清馬上命令渤海縱隊迅速在第8縱隊與第9縱隊之間的劉集、王花園以西孟集地區實施展開，投入戰鬥。他同時命令第8縱隊暫緩進攻，假裝示弱；第2縱隊加緊向陳官莊東南方向攻擊，第11縱隊連夜構築工事向魯樓攻擊，既誘又壓，促使國民黨軍向西。
粟裕的判斷是準確的。
9日，國民黨第74軍果然向西突圍，向第8縱隊、渤海縱隊陣地輪番轟炸掃射，還惡毒地施放毒氣彈。國民黨空軍副總司令王叔銘親自率領大批飛機到陳官莊地區上空助戰，並投擲大量催淚毒氣彈，掩護國民黨軍突圍。
下午2點，華東野戰軍第1縱隊第3師從3個方向對盤踞朱小莊的國民黨軍發起攻擊。經過三個小時激戰，全殲守敵。第3師乘勝向丁棗園發起攻擊。據守丁棗園的是國民黨第5軍第45師。該師比較頑固，拚命抵抗，憑借猛烈的火力不斷向第3師發起反衝擊。第3師軍事打擊和政治攻勢兩手並用，一麵繼續進攻，狠狠地打擊殲滅國民黨軍，一麵運用各種方式開展政治攻勢，瓦解第45師官兵的戰鬥士氣。
在雙重壓力之下，10日早晨，國民黨第5軍第45師殘部3000多人在師長、副師長帶領下，打出白旗投降。第45師師長崔賢文，土頭灰臉，早已沒有了往日的趾高氣揚、威風八麵的氣勢，此刻，他饑腸轆轆，餓得要死。他在投降後說的第一句話就是：“能給點饅頭吃嗎？”
為了粉碎國民黨軍向西突圍的企圖，華東野戰軍第3縱隊受命向西攻擊，8師首先攻克陳樓，爾後配合21團圍攻孫莊之敵，上述任務達成後，直逼陳官莊。
下午3點，華東野戰軍第3縱隊集中炮火猛烈轟擊陳樓。半小時後，22、24團發起突擊，經過一番激戰，勝利攻克陳樓，殲滅國民黨軍第34師101團大部，俘虜250多人。
第3縱隊乘勝向劉莊發起攻擊，該處國民黨軍倉皇向西逃竄。杜聿明為了保護集團指揮中心的安全，匆忙命令第72軍殘部數千人沿魯樓河岸構築一道防線，在喬莊橋頭南北兩側架設了6挺重機槍和數十挺輕機槍，以自動火器組成火力網，妄想阻止華東野戰軍各部隊過河。第3縱隊司令員孫繼先查明情況後，立即部署8師21團首先將喬莊的國民黨軍包圍殲滅，爾後以全力攻殲胡樓的國民黨軍；9師20、27團立即參加戰鬥，配合8師向喬莊、胡樓進攻。
晚上9點，8師21團全體指戰員分成三路偷渡魯樓河，向國民黨軍發起攻擊。1營1連戰士趙思玉、胡正堂冒著炮火衝進國民黨軍隊形中，端著自動步槍一陣猛烈掃射，國民黨軍士兵紛紛應聲而倒。全體指戰員越戰越勇，很快擊破喬莊防線，國民黨軍被迫倉皇西逃。21團又迅速追擊，摧毀了國民黨軍的野戰工事，殲滅國民黨軍700多人。9師部隊也迅速插入國民黨軍陣地縱深，同8師並肩西攻。
第8縱隊、渤海縱隊和左鄰的第9縱隊，合力頑強阻擊，打得國民黨第74軍死傷累累，前進不得，始終沒有突破山東兵團防線。
9日晚上，第10縱隊司令員打電話給張震，報告說：“我已經命令第4和第10縱隊並肩出擊，這兩支部隊楔入到國民黨軍突圍部隊中，迅速將其分割，現在還處於激戰之中。”張震馬上向粟裕作了報告。粟裕當即下達命令：各部隊展開全線猛攻。
為了不讓瀕臨滅亡的杜聿明殘部得到喘息機會，堅決奪取最後的勝利，華東野戰軍各路大軍繼續展開聲勢浩大的猛烈攻擊。
華東野戰軍第2縱隊司令員騰海清調整部署，命令：4師攻打陳官莊南邊公路上的據點，5師攻打穆樓，6師攻打地祖廟。各部隊奮勇衝擊，連戰連克。4師11團在陳官莊南邊公路上逼迫兩個排的國民黨軍投降，並乘勢攻下了李康樓，殲滅國民黨軍第32師95團及炮兵、工兵等共兩個多團。5師、6師相繼攻克穆樓和地祖廟，分別衝向陳官莊、劉寨。
山東兵團指揮的第8縱隊、渤海縱隊繼續從西向東攻擊，第2縱隊從穆樓、地祖廟向陳官莊攻擊前進，第11縱隊從魯樓全力出擊，攻向陳官莊。
華東野戰軍第10縱隊28師相繼占領了青龍集、朱莊、孫莊等重要村鎮，打通了與北集團攻擊部隊的聯係。
青龍集原是李彌兵團部駐地，被華東野戰軍占領後，嚴重威脅到杜聿明集團總部的安全。杜聿明下令死守青龍集以西各據點。這些據點都築有堅固工事，形成了遍布村內外的環形防禦體係，攻克難度較大。
華東野戰軍第10縱隊29師經過激戰，相繼占領張莊、魯莊。29師和28師又合力攻克青龍集以西國民黨軍重要據點陸菜園，殲滅國民黨第72軍主力。87團乘勝前進，很快在胡莊將72軍軍部包圍，72軍軍長餘錦源被迫率部投降。
87團在陳官莊國民黨軍臨時機場一帶搗毀了第8軍軍部，該軍軍長周開成倉皇逃竄，竟然逃到了85團5連陣地。周開成還以為是國民黨友軍陣地，先派了一名排長前來聯係。這個排長剛進入陣地，便當了5連的俘虜。5連長立即命令這個排長回頭向周開成等人招手，表示可以過來。周開成果然在隨從的簇擁下走了過來。他一到陣地前，那個排長就介紹說：“這是我們軍長。”5連長風趣地回答：“軍長來了，歡迎，歡迎。”就這樣，周開成自投羅網，成了解放軍的俘虜。
與此同時，29師另一部攻下陸菜園後，一鼓作氣，勇猛向西插入國民黨軍縱深，包圍了位於陳官莊西北方向的劉集。經過激戰，俘虜了國民黨第74軍少將軍長邱維達及所屬官兵4000多人。
28師經羅店、李莊揮戈西進，勇猛穿插分割國民黨軍，協同第4縱隊攻下了黃戶莊，全殲李彌兵團司令部，爾後又迅速攻占張樓，將邱清泉司令部包圍於花小廟，經過激戰，全殲該敵。第2兵團司令邱清泉在混戰中被解放軍戰士擊斃。
83團發揚連續作戰的優良作風，直插杜聿明指揮部所在地陳官莊。當戰士們越過國民黨軍用卡車和坦克排成的環形圍牆時，發現裏麵的國民黨軍還在睡覺呢。83團分別從莊東和莊北，向國民黨軍發起攻擊。醒悟過來的國民黨軍急忙組織力量反擊，戰鬥異常激烈。
解放軍戰士乘著繳獲的坦克開出戰場10日淩晨，國民黨第74軍主力在炮火掩護下，企圖從渤海縱隊18團堅守的王花園陣地突破出去。18團全體官兵奮勇抗擊，在友鄰縱隊的配合下，迅速擊潰了第74軍主力。殘餘的國民黨軍紛紛潰縮回劉集。此時陳官莊被攻克了，國民黨軍失去了指揮，一團慌亂，整師整團地放下武器投降。
很快，第8縱隊、渤海縱隊和第9縱隊合力攻克了國民黨軍最後一個據點——劉集。
華東野戰軍第3縱隊各部繼續向西追殲潰逃的國民黨軍。8師21團3營跑步前進，同兄弟部隊一起衝進了陳官莊，占領國民黨軍炮兵陣地，全殲守敵。
華東野戰軍第4縱隊先頭部隊在連續突破了陳官莊東北方向的羅莊、李莊、黃戶莊諸要點後，從左右兩個方向攻進了陳官莊。先頭部隊一個排突入到陳官莊西北側的國民黨軍官團駐地。排長郭玉貴指揮戰士們把輕重機槍設置在周圍要點，形成控製性火力，自己帶著幾個戰士衝進了團指揮所。軍官團團長慌忙舉槍抵抗，郭玉貴一扣扳機，擊斃了軍官團團長。這時，軍官團副團長慌忙舉起了雙手。郭玉貴用槍抵著他，命令他把全團軍官都集合起來，不然就打死他。軍官團副團長乖乖地把部隊集合了起來，大約有400多軍官。郭玉貴在隊伍前宣傳了解放軍的俘虜政策，經過一番政策攻心，這400多軍官都放下了武器。
天亮了，華東野戰軍各部隊從四麵八方向陳官莊猛攻。