华东野战军第十三纵队司令员周志坚上了前沿，碾庄外围阵地上的情景让他感到了不安：
大宋庄枪炮轰鸣时，我到了小宋庄。当时伤员还没来得及运走，我们牺牲的干部、战士的遗体和敌人阵亡官兵的尸体仍在原处，我要看看这个仗是怎么打的，敌人的部署是否像我观察到的那样，我们的战士是在哪里牺牲的，是炮打死的还是枪打死的，我战前的判断是否正确……这些，要在战场保留原状时才能看得清清楚楚。我看见了小宋庄血染的战场，我的心里有些不安，我们的牺牲太大了。这么个小小的村落，死了这么多人……
碾庄圩位于陇海路以南、运河以西，是十几个自然村落组成的一小片区域。这里是运河西边的低洼地带，洼地、水塘、沟渠错落其间。为了防洪水，民房都建在土台子上，村落四周也都夯有高出地面两到三米的土围墙。碾庄圩是徐州以东的重要防御据点，原是李弥的第十三兵团驻地，因此区域内筑有大量坚固的野战工事，特别是在各个村落四周，建有大量的碉堡和地堡，预先设置了可以相互交叉的火力点。黄百韬接管这一防区之后，兵团部位于碾庄圩，第六十四、第一00、第四十四、第二十五军分别配置在碾庄圩东、西、南、北四个方向上，十多万人马密集地收缩在一起，准备在空军的支援下固守待援。华东野战军对碾庄圩的攻击，采取四面向中心突击的战法：六纵向北突击，十三纵向东突击，四纵沿着铁路线向西突击，九纵向西北方向突击。十一月十一日，突击部队向各自正面的敌军阵地发起猛攻。四纵攻击碾庄圩以北的小牙庄、尤家湖阵地；八纵攻击碾庄圩以东的大院上、吴庄阵地；九纵攻击碾庄车站附近的第四十四军；六纵和十三纵攻击彭庄、贺台子阵地。野战军指挥部要求连续突击，速战速决，三至五天内解决战斗。但是，突击一开始，却发现困难要比想象的大得多。除了沟塘密布、村落分散、工事坚固等原因外，各攻击部队经过几天的急行军，官兵异常疲劳，炮兵也没能及时跟上，因此，在前两天的战斗中，突击部队伤亡很大，战场推进缓慢。
十三纵攻击小宋庄，守军是第一00军六十三师。六十三师师部位于大宋庄，但前沿伸展到了距大宋庄一里地的小宋庄。这是一个仅有十几户人家的村庄，防御部队是六十三师专门组织的一支突击队。得到机枪加强的突击队，采取密集火力掩护下的多点防御战术，使得十三纵的攻击一开始就受到严重杀伤。十三纵付出巨大伤亡攻占外围地堡后，深入小村庄的战斗变得更加残酷。守军利用村里的民房修筑起核心工事，几乎所有的墙角都修有碉堡，碉堡上设有四层射击孔，射击孔设计得很小，很难将其封锁。而且，在小村里的墙缝、门缝、窗户乃至屋檐下，到处都是机枪射击点。十三纵往往发动数次冲击，才能推进一步，即使占领了一座民房，民房也会即刻被守军的燃烧弹点燃。
攻击部队的营、连干部情绪焦躁，都说从来没有打过这么难打的仗，也没见过这么顽强的敌人。在夺取了一座民房后，需要冲过一片空地，但是空地被守军火力封锁着，于是官兵想从墙上掏个枪眼以掩护爆破。枪眼刚刚掏好，墙那边就塞进来一颗手榴弹，急忙把手榴弹拾起来扔回去，可第二颗手榴弹又塞了进来，官兵们只好用稻草把枪眼堵上。接着，让十三纵官兵吃惊的事发生了：在守军的逼迫下，几个百姓举着火把走了过来，要在攻击部队占领的房子里放火。官兵们朝天开枪，不停地喊：“不要过来！不要过来！”百姓扔下火把跑了。守军又用一根长竹竿挑着燃烧的棉花往房顶上甩，刚刚占领的房子还是让守军点着了。十三纵再次发动攻击的时候，守军让百姓站在民房的门口当盾牌，机枪就架在这些百姓的肩膀上。十三纵的官兵们很痛苦，战斗已经让他们的许多战友伤亡，而面前惊恐万状的百姓又令他们想起自己的父母，他们高声喊：“老乡！我们掩护你们！快跑！不要给他们挡子弹！”百姓们惊惶地到处乱爬，守军混在百姓中趁机猛烈射击，在密集而纷乱的弹雨中，攻守双方的官兵和那些无辜百姓的呼喊声混杂在一起。
一纵在窑湾与第六十三军的激战也到了最后关头。第六十三军的顽强抵抗触发了一纵官兵的斗志，他们发誓要把窑湾拿下来，把第六十三军就地全歼。第六十三军之所以顽强抵抗，是因为他们听见碾庄圩方向传来激烈的枪炮声，他们误认为那是增援部队赶来了——他们确实得到过支援，从徐州飞来了三四批飞机，每批三架，往窑湾镇空投粮食。但是，窑湾镇阵地十分狭窄，空投的粮食大多落到了外围一纵的阵地上。一纵再次发动攻击的时候，加强了火炮的打击力度，猛烈的炮击使第六十三军的阵地上硝烟弥漫。炮火准备之后，一师在东门，二师在北门，三师在南门，同时开始了最后冲击。一师很快向窑湾镇插进去，但是二师和三师几次攻击都没奏效，于是临时改变部署，二师六团从东门突入接应攻击北门的四团，三师也从东门往里突击——“老兵油子多，仍然负隅顽抗。”一纵指挥员们感到这个对手有点难打。
此时，那个发誓要让第六十三军“一战成名天下知”的陈军长有点慌了，因为各个阵地上的战斗都已进入混乱状态。一八六师副师长伍少武跑到指挥部报告说，五五八团的阵地已被突破。陈章冒着炮火前往一八六师师部，师部里满地的文件，师长张泽琛却不见了。军官们说，中午的时候，张师长把胡子剃了，换上了便服，说要去巡视阵地，可直到现在也没回来——张泽琛师长跑得很快，居然一路跑回广州，广州的报纸迅速登出了他从战场突围而出的“英雄事迹”。陈章要求一五二师师长雷秀民、副师长黎天荣与他一起返回军部，重新组织部队进行抵抗。但是，一转身的工夫，雷师长也不见了——雷师长拉着一八六师五五六团团长黎安福也跑了。回到军部，陈章拿着手枪站在门口不进屋，一脸的阴沉。黎天荣副师长前去组织预备队，路上遇见军参谋长宋健人，可转眼间宋参谋长也不见了——宋健人是当地人，曾在窑湾镇当过区长。陈章和黎天荣决定突围。
他们跑到四五四团阵地的时候，陈章用广东话大骂：“丢他妈！叫死守阵地，怕死鬼先跑了！”接着，一纵的攻击部队就冲到了跟前。黎天荣发现军长陈章也不见了，身边的一个连长说，他听见几声左轮手枪的枪声，还听见军长在喊：“张黑（张泽琛）害死我！”黎天荣断定军长已经自杀——第六十三军军长陈章，刚刚从副军长的位置上得以提升，因此他不想死。混乱中，他带着几名卫兵跑到运河边，想用几块木板泅水过河，但刚要下水就身中数弹。随行的一八六师副师长伍少武也同时中弹。在他们身后，想用木板渡河的官兵中弹毙命和淹死在运河里的达百余人。
