在包围圈内，黄维兵团第4快速纵队战车营配合步兵不断地疯狂向解放军反扑，企图掩护其主力突围。开阔的平原上坦克隆隆之声不绝于耳，坦克战与反坦克战异常激烈。解放军战士打坦克越打越勇，“坦克不可怕，沉着对付它！”“放过坦克，打步兵！”“争取当打坦克的英雄！”成了阵地上最响亮的战斗口号。其中，解放军第103团第9连6班班长杨勇面对10余辆坦克的冲击，毫无惧色，以高超的投弹技术奇迹般地打退敌坦克多次进攻，战后被授予"打坦克英雄"称号。
黄维兵团在解放军不断压缩包围圈的情况下，搬出古代“连车环外”的战法，把所有汽车、损坏的装甲车和坦克一个接着一个地摆成“城墙”作困兽之斗，但这也挽救不了失败的命运。战至12月15日，黄维兵团全军覆灭，黄维乘1辆坦克逃跑，后因坦克出现故障而弃车，混杂在溃兵中时被解放军俘虏。
蒋纬国督战火神庙皮定均指挥布火阵
12月3日，蒋纬国率领战车第2团第1营和战车第1团第4连约40辆m3a3、t-26轻型坦克，开赴蚌埠以北支援李延年第6兵团沿铁路向西北进攻，企图打开通道，拯救黄维兵团。12月9日，蒋纬国所部苦战4天，攻占火神庙南北一线，此地距离双堆集不到40公里。
人民解放军担负阻击任务的是华东野战军第6纵队第18师第52团，由纵队副司令员皮定均直接指挥。面对敌军坦克的猛攻，皮定均和官兵们因地制宜，创造出不少新的反坦克战法。他们除集中炮火拦阻要道、设置陷坑区外，还特别利用当地易燃的柴秸布置火阵，阻止敌冲击，反坦克手则乘敌进展缓慢之机，迅速出击，以集束手榴弹、火箭筒对付坦克。
三次攻击未奏效，使蒋纬国大为光火，匆匆跑到火神庙步兵军军部，指责步兵配合不力，并亲自督战，发起第4次攻击。解放军仍用火阵和各种轻武器顽强地阻击。面对熊熊烈火，装汽油发动机的m3a3坦克不敢贸然前冲，再一次灰溜溜地掉头撤回。
13日，国民党军以1个师的兵力在炮火和坦克的支援下再次发起猛攻。由于柴秸已用完，战士们便集中迫击炮和轻重机枪打敌步兵，以仅有的2门反坦克炮和火箭筒对付敌坦克。有2辆坦克孤身突入解放军防御阵地，并横冲直撞。解放军官兵沉着应战，用集束手榴弹炸断其中1辆坦克的履带，并跃上坦克击毙车内乘员。另1辆见势不妙，慌忙逃窜。战至15日，黄维兵团被全歼，李延年所部伤亡惨重，解围无望，缩回到淮河以南；蒋纬国也沮丧地率部向南京逃去。
