1948年10月底，華東野戰軍各路大軍正沿公路、大路和阡陌，從濟南、兗州、濟寧、臨沂、曲阜等地，浩浩蕩蕩向南開進。他們穿過平原上一個個村莊，涉過
黃泛區的一條條河流，向淮海戰場推進。陶勇率華東野戰軍第4縱隊兩萬餘人，從兗州出發，向黃百韜兵團駐地新沂奔襲，部隊不分晝夜，輕裝前進，陶勇也不分晝夜穿行於各部隊中，進行宣傳鼓動工作。11月3日，他們抵達駝陰以南的孟家淵，機要員跑步到了陶勇面前說：“剛收到野司字13號作戰命令，請陶司令過目。”陶勇接過電報便看，命令中說：第4縱隊、第8縱隊由第4縱隊陶司令、郭政委指揮，應以主力一部首先襲擊邳縣、官湖之敵，爾後即進擊徐塘集、運河車站。主力應由馬頭至紀集段沿沂河兩岸開進，由官湖以南、紀集、貓兒窩以北之間地區，由東向西分割圍殲運河車站及炮車地區守敵，得手後即沿運河兩岸及官湖、炮車、窯灣沿河以東地區部署阻援。該部應首先集中主力及炮兵，攻殲運河車站守敵，務求速戰速決，以便控制陣地，爭取阻援時間，保障主力圍殲敵第7兵團之作戰。
陶勇看後，向各師下達作戰命令：第10師：首先以一部兵力圍殲岔河之敵。得手後，繼續向加口圩方向挺進，並查明至灘上鎮一線之敵情、地形，主力由頭道河、二道河渡口經邳縣以
南渡河，攻佔徐塘集。一部則在加口圩至灘上一線，沿運河東岸構築工事，阻擊可能東援之敵。並以一部兵力渡過運河，向碾莊圩、曹八集方向偵察警戒。第12師：首先以一個團（附縱隊警衛營）由龍鳳啞渡口渡河攻佔邳縣城。得手後，以警衛營向官湖警戒，主力直插運河車站，並以精幹部隊切斷運河車站與鐵橋之聯繫。攻殲該點守敵後，以一部兵力控制車站西之鐵橋，主力圍殲大榆樹之敵。第11師：首先以一部兵力由湯樓渡河，攻佔小黃家、白龍埠一線，得手後，以一部嚴密監視官湖之敵。並乘機以主力攻殲官湖守敵，一部在官湖以東渡河南下，進至上下二郎廟一帶，切斷炮車至運河車站之聯繫，保障第12師左翼安全。爾後全師沿鐵路以南西擊，配合第12師圍殲大榆樹之敵。各師接到命令後，於11月6日出發，投入戰鬥行動。淮海戰役拉開序幕。從東起海州，西至商丘的700多里隴海線上，華東野戰軍對徐州劉峙集團發起了強大攻勢。
陶勇率部隊兵分三路殺向敵人。11月7日，第10師第28團進佔加口圩，第12師第35團攻佔邱縣，守敵東竄。8月，左路第11師自三面逼近官湖；中路第12師第35團在敵炮火下強涉邳縣以東大河，於城東沿殲敵第9軍一個加強連，進至連燕又殲敵第9軍一個連；右路第10師向灘上鎮攻擊前進，一部由邳縣以西渡河南擊。14日傍晚，剛剛拉下夜幕，進攻大興莊的戰鬥就開始了。炮兵按預定計劃抵近射擊，炮彈呼嘯著向敵陣地飛去。剎那間，大興莊地動山搖，煙霧滾滾，槍聲、炮聲淹沒了一切。炮火摧毀了一座座敵堡和主要工事，並壓制了敵人的火力。第30團第5連的爆破組，迅速躍出戰壕，勇猛衝殺，插入敵陣，打開了突破口。敵人在縱深炮火的支援下，集中大量兵力在突破口拼命反撲。戰士們頑強戰鬥，用集束手榴彈與敵人進行殊死的戰鬥。從黃昏一直戰鬥到午夜，連續打垮了敵人多次反撲，鞏固和擴大了突破口，保障了主力及時投入戰鬥。15日拂曉，戰鬥結束，大興莊為第10師攻佔，敵第64軍第467團全部被殲。19日，總攻碾莊圩黃百韜兵團部，守敵大部被殲，殘部逃入尤家湖。粟裕親自打電話給陶勇，要陶部不惜一切代價，攻克尤家湖。
陶勇受命，立即向各師下達任務，要求當晚發起戰鬥，不許放跑一個敵人。夜幕降臨，陶勇來到擔任主攻任務的第29團，親自動員。晚8時，攻擊開始，戰鬥一直進行到第二天拂曉，第29團攻佔了尤家湖北側兩個集團堡群，為總攻突擊掃除了障礙。下午4時，陶勇令第10師、第11師和第12師的第34團發起攻擊。這時，粟裕給陶勇派來4輛坦克助戰。陶勇要求步兵、炮兵、坦克兵三者協同作戰。頓時大炮轟鳴，坦克威風凜凜地向前推進，幾百名步兵緊跟著坦克向敵陣衝去，激戰3個小時，攻佔了尤家湖，俘虜第64軍軍長劉鎮湘。22日黃兵團被全殲，取得了淮海戰役的第一階段勝利。陶部以傷亡5000人的代價取得殲敵兩萬的勝利。
第一階段戰鬥結束後，淮海戰場敵人的態勢形成三大塊：中原野戰軍將黃維兵團圍困在雙堆集；蚌埠的李延年、劉汝明 兩兵團企圖北援黃維兵團；徐州“剿總”企圖率部南下，增援黃維兵團。粟裕根據總前委孤立黃維、殲滅黃維的意圖，命令陶勇統一指揮第4縱隊、第11縱隊、第12縱隊和渤海縱隊，組成東路阻援集團，控制徐州東南的水口、二陳集、關帝廟一帶陣地，阻擊徐州之敵南援。陶勇受命後，為讓兄弟部隊獲得休整時間，他先命令本縱隊第10師開赴褚蘭、營裡一帶進行防禦作戰。中午，第10師一到，敵第70軍第96師就在8輛坦克掩護下，向褚蘭、營裡猛攻，遭第10師頑強阻擊，不敢越雷池半步。徐州之敵見南援無望，即令“剿總”副總司令杜聿明率第2、13、16三個兵團，放棄徐州，南下增援黃維兵團。粟裕命令陶勇統一指揮第11縱隊、第4縱隊、第12縱隊和渤海縱隊，從潘塘鎮、褚蘭、朝陽集地區，經徐州以南向蕭縣、永崮方向急進，追殲徐州之敵。
陶勇接到命令，迅速組織4個縱隊，採取多路、多層的尾追和平行截擊、迂迴攔擊相結合戰法，向西猛追。他提出“勇猛追擊，連續作戰，活捉杜聿明”的戰鬥口號，第一天急追100餘里。追擊中，陶縱繳獲美式吉普車。陶勇和政委郭化若、參謀長梅嘉生同坐一車，車開到哪裡，陶勇的聲音便傳到哪裡：“同志們，加油追啊，不讓敵人喘一口氣，快追啊，加油啊！”敵人被緊迫不捨，驚慌失措，沿路潰逃的敵軍隊伍被陶部打得狼狽不堪。陶勇指揮部隊追上一股逃敵後，命令部隊立即插入敵陣，使其首尾不能相顧，亂成一團，然後逐個殲滅。追擊途中，連續消滅十幾股敵人，加起來有3、4萬人。
12月4日，陶縱與兄弟部隊將杜聿明集團的三個兵團30萬人，圍困在永城東北縱橫不到20裡的地區。從12月6日起，陶勇根據總前委提出的三面圍攻，一面堅守的戰法，對杜聿明集團實施輪番攻擊，加上天寒地凍，開展強有力的瓦解敵軍工作，敵軍心不穩，不管在早晨、晚上，還是在嚴寒的深夜，總有三三兩兩或成群結隊的敵人跑到解放軍陣地投誠。12月15日，傳來了振奮人心的消息說，中原野戰軍和華東野戰軍一部全殲了黃維兵團。中央軍委為穩住華北
傅作義集團，命令淮海前線各縱隊，對杜聿明實行圍而不打方針。華野做出部署，以8個縱隊嚴密包圍杜聿明集團，進行戰場輪番休整，以7個縱隊在夏邑、永城、灘溪口等地進行戰備休整。
1949年1月7日，陶勇部隊與兄弟部隊一起向杜幸明集團發起總攻。1月10日拂曉，陶勇縱隊的第12師第35團首佔杜聿明集團駐地陳官莊。這時，各師各團向陶勇報捷的電話鈴聲不絕。下午，第11師政治部
陳茂輝打電話說，他們師在張老莊抓到一個名叫高文明的俘虜，他自稱是第13兵團軍需官，卻說不出第13兵團機關幾個處長名字。陳茂輝告訴陶勇說，高文明衣著考究，彆著派克鋼筆，戴著進口防水游泳手錶。陶勇聽到此時，不由心中一愣，杜幸明至今還沒抓到，這人是不是他呢？一旁的郭化若接過電話，要陳茂輝立即將這個“高文明”帶到縱隊司令部。郭化若和杜聿明是黃埔軍校同學，帶到縱隊司令部，這個“高文明”的問題就解決了。兩小時後，“高文明”被押到了。郭化若上前笑著打招呼說：“你不是社聿明嗎？什麼時候改名叫高文明啦？”陶勇明白了，他上前遞給杜聿明一支香菸，笑著說：“請坐，請坐，你們倆是老同學戰地重逢，敘敘舊吧！”杜聿明知道瞞不過去了，他接過香菸，面部的表情十分尷尬。面對同學和對手，他一時不知說什麼，低著頭一個勁地吸菸。
陶縱在歷時65天的淮海戰役中，殲敵72863人，其中俘敵58018人，僅俘虜少將師長高級軍官就有16名。戰前陶縱只有兩萬人，戰後增加到5萬餘人。
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