淮海之战是在以徐州为中心的广阔地区进行的，东起海洲，西至商丘，北至林城（今雪城），南至淮河。参加这次战役的有华东、中原两支野战军、华东和中原两军，金鸡-河北陆泸军区的部分部队，共计约60万人。济南战役后，国民党军队在徐州周边地区集结了大批部队，企图利用在徐州相遇的金浦和陇海两条铁路线的条件，方便机动增援，并利用重兵封锁的方式阻止解放军南下移动。 从而巩固江淮和屏障南京。徐州总司令刘志、副总司令杜玉明指挥的四个军（杜某从东北逃回后，11月初被任命为徐州副总司令兼前方司令部司令）、黄柏涛、邱庆泉、李密、孙元良四军，以及凤治安安安绥靖区四支部队， 李延年、刘璐明、周璧，以及从华中前来增援的黄魏军，战役中从东北战场撤退到蚌埠的两支军队，以及从长江中游增援到浦口的两支军队，总兵力近80万人。其中，大多数是国民党军队的主力部队和精锐部队。
由于国民党军队在敌与自身力量的平衡方面在这方面仍具有相对优势，如何实现攻占徐州、当场歼灭敌人的计划，已成为中央军委和前线指挥员共同关心的问题。济南之战接近尾声时，华东野战军代理司令员苏瑜向中央军委提议举行淮海战役，主张在淮阴、淮安、海州、连云港等地进攻歼灭国民党军队，为攻占徐州创造条件。中央军委接受这一建议，于10月11日下达了《淮海战役作战指针》的指示，指出第一阶段战役的重点是集中力量歼灭国民党刘志集团强大的右翼势力黄柏涛军。鉴于敌军密集、机动性强的特点，要求半数以上的兵力作为转移和封锁，从东北威胁徐州，让秋清泉和李米的两个兵团不敢全力出手援东。10月22日，中央军委指示中原野战军一抓郑州就向东进军，与华东野战军紧密配合，孤立徐州。11月初，根据辽沈战役的胜利和中原战场的变化，中央军委采纳了华东和中原野战军司令员的建议，决定扩大原淮海战役的规模，由华东野战军主力部队继续进攻黄柏涛的兵团， 然后动主力攻击金浦路;它以中原野战军主力，迅速攻占了徐州以南的苏县（今苏州），控制了徐州与蚌埠之间的铁路线，两军联手歼灭淮河以北的刘志集团主力部队，再歼灭长江以北的其余部队。11月16日，中央军委指出，淮海战役是南线一场史无前例的战斗，"这次胜利不仅将决定长江以北的局势，而且将基本解决全国局势。为了协调这次战役的进行和前线的地方事务，中央军委决定由刘勃成、陈毅、邓小平、苏宇、谭振林组成一个由曾经的敌人组成的总委员会，刘伯成、陈毅、邓小平为常委，当场处理一切。邓小平曾任总书记。
淮海战役于11月6日发起，是11月22日战役的第一阶段。这一阶段，华东野战军在冀庄围地区歼灭了黄柏涛军约10万人，并击毙了军长黄柏涛。11月8日，第三遂静区副总司令员（均为共产党地下党员）何继峰、张克霞按照华东野战军的计划，率领三个半师约2.3万人起义，为战役的顺利进行创造了极为有利的条件。11月15日，中原野战军攻占了苏仙，并与华东野战军一起切断了徐明防线，完成了对徐州的围攻。
11月23日至12月15日，是淮海战役的第二阶段。这一阶段，中原野战军和华东野战军的一部分在苏县西南部双堆积地包围并歼灭了东岐山援的黄伟军约12万人，俘虏了军长黄伟。其中一个师在地下共产党员廖云舟的领导下起义。当杜玉明的徐州国民党军30万三军向西突围时，华东野战军主力在永城东北的城关庄地区包围了这个敌人，歼灭了孙元良的两个军约4万人的大部分。
1949年12月16日至1月10日，是淮海战役的第三阶段。在这一阶段，淮海前线人民解放军听从中央军委的指示，暂停了对杜玉明集团的攻击，以稳定平津国民党军队，防止他们迅速作出南下撤退的决定。其中，华东野战军转向战场休养，同时对国民党军队发动了强大的政治攻势，敦促杜玉明率军投降;中原野战军在素贤县、孟城、渤阳等地集结休息和待命。这时，战区恰逢大雪，空运急剧减少，杜布粮草被割断，饥寒寒，军心震动，官兵整排、全连、全营投降。但杜玉明等高级将领仍然拒绝投降。1949年1月6日，华东野战军对杜玉明的部队发动总攻，经过四天的激烈战斗，10日，邱清泉、李密两军被约20万人歼灭，俘虏了杜玉明，杀死了邱庆泉，只有李瑜等人逃脱。至此，淮海之战以一场大胜收场。
淮海战役是解放战争战略决战三大战役中的第二场重大战役，也是敌军在战场上比较具有相对优势的战役。在战役中，经过66天的激烈艰苦战斗，人民解放军歼灭了国民党军55.5万人，其中包括国民党军"五大军"之一的第五军和第十八军。这次胜利基本上解放了长江以北的东部和中部平原，直接暴露了国民党反动统治的中心地区南京和上海，暴露在人民解放军的铁腕之下，为解放军渡河创造了极其有利的条件。