当日夜，刘伯承和陈毅派被俘的蒋军第85师作战处长郑家玙带着《促黄维立即投降书》，去见黄维。
黄维将刘、陈的促降书撕得粉碎，并赶走了郑家玙。
13日，华野增援部队第3纵队、苏北第11纵队和鲁中南纵队（此3个纵队相当于两个纵队的战斗力），以及华野炮兵一部，由华野参谋长陈士榘率领，到达双堆集前线。
当天，刘、陈、邓调整部署，以南集团为主，东、南集团配合；并调华野第3、13纵队及特纵一部，加入南集团作战，由华野参谋长陈士榘统一指挥；鲁中南纵队为战役预备队。3个集团于12月14日夜，向拒绝投降的黄维兵团发起最后攻击！
13日，天气晴好。蒋介石令空军大量出动，在双堆集周围解放军阵地上投下了上百吨炸弹，其中包括糜烂性毒气弹。黄维阵地狭小，也尝到了毒气弹的厉害。解放军战前就做好了预防化学炮和毒气弹的准备，又隐蔽在地下城里，所以伤亡较小。
14日夜，南集团以中野李德生旅“襄阳登城第1营”和华野第3纵队“洛阳营”一举攻占了金庄以南的敌野战集团工事，歼灭黄维最精锐的主力“威武团”大部。与此同时，华野第7纵队与中野尤太忠旅第47团协同作战，在付出了重大代价后，占领了尖谷堆高地和双堆集外围野战阵地李店子，歼灭蒋军第33团残部、第118师两个连。黄维的兵团指挥部、双堆集核心阵地、炮兵阵地、快速纵队的车辆和临时机场完全暴露在解放军的攻击之下。与此同时，东集团攻占了杨老五、杨子全等村庄，彻底剥开了黄维兵团部的外壳。