"15、16日，我们暂时停止了对黄百韬的攻击。"秦叔谨回忆，各部队都在进行土工作业，想方设法把堑壕挖到敌阵地前沿。
"16日晚，我们再次集中火力、兵力，向黄百韬兵团发起猛攻。"曾任军委炮兵副司令的陈锐霆回忆。
"到了17日，黄百韬兵团的处境十分艰难。"化装深入到碾庄圩腹地侦察的徐法全说，"敌人的粮食和弹药都很缺乏，许多士兵只能吃马肉了。"
面对解放军越来越强的攻势，黄百韬唉声叹气地对左右说："……现在是无望了！""不过，黄百韬并不打算放下武器投降。"徐充回忆，他用无线电向蒋介石表示，决心苦撑待援，苦战到底，不辜负委员长的栽培。
激战至19日，黄百韬兵团固守的碾庄圩外围村落，全部被华东野战军占领。
"这天晚上，黄百韬向徐州的刘峙、杜聿明发出求援急电。"此时，黄百韬的一举一动都逃不过徐充的技术侦察，"他说：'他们现在已经是危在旦夕，如果援军再不到，就只有来生再见了。'"
"奇怪，这个时候，黄百韬并不急于逃命。"一身百姓打扮的侦察兵徐法全，却看见黄百韬身着将官军服，站在屋顶上，指挥残兵向解放军冲击。
望眼欲穿的援兵没来，12万大军丧失殆尽，黄百韬完全失去顽抗的最后勇气和信心了。
"22日黄昏，黄百韬指挥156师残部，企图向西北方向突围。"徐法全回忆，因为40公里之外，就是企图增援而被解放军阻击的李弥兵团。当黄百韬逃至尤家湖南面的一片苇塘时，解放军"全歼黄兵团，活捉黄百韬"的喊杀声又起。
当时就在黄百韬身边的国民党第25军代理军长、后来被俘的楚轩吾回忆："黄百韬这时已经完全失去了最初的镇静。他像一头被囚在笼子里的野兽一样。披着军大衣在深沟中转来转去。不许任何人向他转达解放军的劝告和递送打到阵地上来的传单。"
彻底绝望之际，黄百韬拔枪自杀。
楚轩吾回忆："这一枪他是从嘴里打进去的，因而保持了面部的完整。鲜血翻着泡沫从他嘴里流出来，他两眼老泪横流地看着我，已经什么话也说不出来了。"
楚轩吾回忆："我将他的头紧紧抱在怀中，他眼睛中的神色在迅速地消失，猛然头一歪，手枪哗啦一声掉在了冻硬的土地上，黄百韬就这样死在我的怀中，我将他慢慢放在地上。脱下大衣覆盖在他的脸上。"
自杀前，拿出名片一张，在背后写上"黄百韬尽忠报国"，交给国民党第25军副军长杨廷宴，请其转交蒋介石。
至此，黄百韬兵团12万人，全部被华东野战军歼灭。
据战后化装逃跑的杨廷宴回忆，黄百韬临死前对他说："我有三不解：(一)我为什么那么傻，要在新安镇等待第44军两天；(二)我在新安镇等两天之久，为什么不知道在运河上架设军桥；(三)李弥兵团既然以后要向东进攻来援救我，为什么当初不在曹八集附近掩护我西撤。"
