11月23日，黄维为改变孤军深入的不利态势，急于渡过浍河与李延年、刘汝明兵团靠拢，在飞机、坦克支援下，分三路向南坪集猛攻。中野4纵顽强防守，鏖战了整整一天，天黑后才按计划放弃南坪集，退到徐家桥、朱口、伍家湖一线。这时，中野1纵、2纵、3纵、6纵、11纵、陕南12旅已分别到达郭家集、白沙集、孙町集、曹市集、胡沟集，形成袋状阵地，只等黄维兵团渡浍河时，就发起向心攻击，将其分割于浍河两岸。
而南坪集解放军的后撤，使黄维错误判断解放军已无力继续阻击，下令立即北渡浍河。11月24日，其先头部队已到达忠义集、东平集、杨庄一线，逐渐进入解放军的袋状阵地。但他随即发现两翼有解放军主力集结，知道不妙，遂命令已渡过浍河的部队迅速撤回。当日晚，该兵团又撤回南坪集地区。 11月26日，黄维兵团虽然被围，但毕竟是精锐之师，装备精良，训练有素，一边迅速构筑防御工事，一边与南京联络，顾祝同指示全力向东攻击，击破当面之敌，与李延年兵团会师。根据这一指示，黄维决定于次日集中四个主力师，乘解放军立足未稳，包围圈尚未严密，齐头并进向东南突围。
85军110师师长廖运周报告该师侦察人员已发现当面解放军的薄弱环节，可以乘隙取得突破。同时建议将齐头并进改为梯次行动，由110师为先锋，首先突击，其他三个师随后跟进。黄维采纳了这一建议。但是黄维不知道的是，廖运周是中共秘密党员，葬送了黄维的突围计划。当廖运周的110师在85军建制里随黄维兵团被合围在双堆集后，特别是在掌握了黄维的突围计划后，他立即派人设法与当面的解放军中野6纵联系，请求乘突围之际举行起义。刘伯承、邓小平批准了他的请求，规定了起义部队的行进道路和联络信号，并指示6纵做好接应起义和阻击黄维突围的准备。廖运周得到刘、邓批准后，考虑到突围时四个师齐头并进，110师被夹在中间不利于起义，为确保起义成功，这才向黄维提出了110师为先锋首先攻击的建议。
11月27日，廖运周率110师的两个团（另一个团被85军留作预备队）顺利通过解放军的阵地，向指定地点开进。当110师通过后，6纵立即封闭了通道。黄维以为110师突围成功，命令后续三个师沿110师的路线跟进，不料随即遭到解放军预伏火力的迎头痛击，尽管有飞机、坦克的支援，仍未能突围出去。为妥善安置110师的起义官兵，中野对该师的起义保密三天，更使黄维对110师的突围大惑不解。当得知110师的起义后，第12兵团士气大挫，军心动摇。刘峙在回忆录中认为廖运周的叛变，是黄维兵团失败的关键。
廖运周率部起义后，中野不失时机向黄维兵团猛攻，刘、邓一度估计可在两三天里解决战斗，然而实际情况并不乐观，黄维依靠优势火力，顽强防御。而中野由于前一时期，先是千里跃进大别山，一路上为行动迅速，将重武器几乎尽数丢弃；再是为巩固根据地，又抽调了一些部队充实到地方部队。这就导致人员、火力都大为不足。特别是炮兵严重不足，当时中野全军仅有75mm野炮两门，山炮四十二门，炮弹约两百发；迫击炮两百零七门，炮弹约两百五十发，每门炮平均只有一发炮弹。凭借如此少量的炮火根本无法压制住敌军火力，因而攻击难以奏效，无法达到迅速歼灭的目的。而黄维认为，如果就地防御，势必被困死，不如乘解放军包围圈尚未巩固之时，继续组织突围。因此在被围的最初几天，黄维每天以一到三个团不等的兵力，在飞机、坦克、大炮的支援下，不断向东南突围。
11月28日，黄维以18军的三个主力团，在十二辆坦克掩护下，向马小店强攻。在攻击前的火力准备中，发射的炮弹多达数千发，将村内的房屋和解放军的防御工事几乎尽数摧毁。但6纵17旅拼死抵抗，付出很大代价终将敌击退。当天顾祝同乘飞机飞临双堆集上空，命令黄维就地固守，站稳脚跟，并尽量扩大占领地区。蒋介石认为黄维兵团完全可以顶得住解放军的攻击，所以命令黄维死守待援。第12兵团的军、师长听到这一命令，想到黄百韬兵团覆没的下场，无不相顾失色。 12月1日，第12兵团副司令胡琏乘飞机在双堆集的临时机场降落，胡琏原任12兵团前身整编第18军军长，在整编军恢复兵团番号时，由于蒋介石、白崇禧、陈诚之间的派系矛盾，他没有顺理成章的成为兵团司令，而是由黄维出任司令，他只是担任副司令，失望之下，便称病告假。当12兵团陷入重围后，胡琏抛下名利之争，赶到双堆集，与旧日的部属同赴危难。由于胡琏精明干练，有丰富的作战经验，在他指挥下打仗总是胜多负少，所以在12兵团，有着较高的威望。他的到来一定程度上激励了部队的士气。
12月7日，黄维命胡琏乘飞机飞往南京，面见蒋介石汇报12兵团的近况，请求增加空投粮弹。临行前，黄维知道大势已去叮嘱胡琏不必再回双堆集。胡琏面见蒋介石后，表示12兵团许多军官战斗经验丰富，对党国忠心耿耿，如果被解放军围歼，即便使解放军付出数倍代价，也损失了一大批精华干部，所以建议下令突围。将介石接受这一建议，命令黄维毅然突围。胡琏在汇报结束后，又飞回双堆集协助指挥。 第18军是一支装备精良、训练有素的百战之师，为国民党军五大主力之一，而其118师33团更以凶狠著称，号称“老虎团”。该团全部是由战斗经验丰富的老兵组成，作战时罕遇对手，堪称王牌中的王牌。大王庄位于双堆集的南侧，屏护着黄维兵团的核心阵地。黄维把“老虎团”放在大王庄，希望这支“恶虎”能守住双堆集的南大门。
为歼灭“老虎团”、打开南大门，中野6纵46团和华野7纵57团两个主力团进攻大王庄，对这个极具战术价值的小村庄志在必得。在猛烈的炮火掩护下，我第一攻击梯队的3个营勇猛冲杀，迅速突入大王庄，和“老虎团”杀在了一起。近战夜战本是我军的拿手好戏，但对于屡经恶战的“老虎团”来说，面对面的厮杀他们也毫不含糊。在几乎成为一片废墟的大王庄内，“老虎团”和我军展开了逐街逐屋的争夺战。机枪、冲锋枪、手榴弹、枪榴弹、火箭筒、火焰喷射器以及六○迫击炮等近战武器全用上了。双方的重炮炮弹雨点般地落在这个小村庄里。人的断肢残体连同泥沙石块—起飞上了天空，空中弥漫着呛人的硝烟味和令人作呕的血腥味、焦糊味。整个大王庄就像狂风恶浪上的一叶小舟，在炮火中颤抖、呻吟。
一场血战，“老虎团”终于被我攻击部队逐出了大王庄。“老虎团”团长恼羞成怒，一边呼叫炮群封锁我后续部队的投入，一边组织力量进行反扑。一般的部队三五次冲锋攻不上去，腿可能就软了，可这“老虎团”确是名不虚传。他们充分利用地形地物和我军进行搏杀，竟连续发动了15次冲锋。打到最后，“老虎团”伤亡殆尽，我攻击大王庄的3个营也所剩无几。最后，“老虎团”团长组织起汽车兵、勤务兵、伙夫、马夫等全团所余全部有生力量，发起了最后的冲锋。关键时刻，我华野7纵首长派出了最后一支预备队———纵队警卫连。又一场恶战过后，敌人的最后一击终于被粉碎，而我150多人的警卫连也只剩下17人。大王庄争夺战从早上8点打到晚上8点，整个村庄除了几堵断墙，几乎被夷为平地。 12月12日，刘伯承、陈毅发布《促黄维立即投降书》，要求其不要再作绝望的抵抗，应爱惜部属的生命，放下武器。但黄维拒不投降，拼死顽抗。
当天黄昏，华野7纵攻击双堆集东南制高点尖谷堆，尖谷堆虽只有25米高，但在一马平川的双堆集地区，却是关键的制高点，对于观察战况和步炮协同极为有利，12兵团的炮兵观测所就设在上面，是个兵家必争之地，由战斗力最强的18军防守。由于解放军攻势很猛，18军军长杨伯涛担心守不住，就命令发射空投下的催泪毒气弹，解放军没有准备，部队产生了混乱，被迫停止了进攻。直到了解到作用不大，部队才安定下来。此后解放军进行了防毒教育和防护准备，以后12兵团再使用，作用就不大了。
12月14日，陈士渠指挥华野3纵、中野6纵攻击双堆集东北的集团工事，他以华野攻坚能力最强的3纵8师为主攻，将3纵炮兵团的三个炮兵连和8师炮兵营组成炮群，直接支援8师的攻击；将3纵炮兵团主力和华野特种兵纵队的重炮组成炮群，由第3纵队指挥负责压制双堆集敌军炮火。经严密准备，于黄昏时分发起攻击。守备集团工事的是10军114师54团，该团原是18军的起家部队，后在部队整编中调配给第10军，是12兵团中战斗力最强的团，人称“威武团”。解放军攻击部队是华野3纵23团1营（即洛阳营）和中野6纵49团1营（即襄阳营），攻守双方都是精锐之师，毫无疑问这是一场硬仗恶仗。经过一小时强大火力准备，解放军冲入阵内，双方白刃肉搏，血战三个多小时，解放军终于攻占这一集团工事，威武团大部被歼，仅存百余人逃回双堆集。与此同时，华野7纵21师和中野6纵16师47团在炮兵支援下，经激战攻占制高点尖谷堆，杨伯涛随即将18军特务营、工兵营，甚至给打完了炮弹的炮兵营官兵配备步兵武器，可以说是使用了一切可以使用的兵力投入反击，几经反复仍未夺回尖谷堆。另外中野第4、9纵队也攻占了杨老五庄、杨自全庄。这样一来，黄维的兵团司令部、炮兵阵地、临时机场等都暴露在解放军面前，形势已极其危急。黄维将兵团警卫营调给18军，还将14军的千余零散人员组织起来，也编入18军，所有能拿起枪的人都用上了。对于失去阵地擅自后退的营长、团长，不问理由，一律枪决。但仍挡不住解放军的攻势，解放军的炮火已经能覆盖整个双堆集，炮弹就在黄维的隐蔽部旁不断爆炸，由于地区狭小，人员猬集，所以每一发炮弹落下，就是死伤一片。 12月15日九时，空军副司令王叔铭飞临双堆集上空，通知黄维由于种种原因无法按计划实施。黄维表示既然不能按计划掩护突围，只好由他断然处置。于是召来10军军长覃道善和18军军长杨伯涛，命令破坏重武器和电台，于黄昏分路向蚌埠以南凤台县突围。
十六时，解放军发起总攻，攻势如潮，黄维见难以支持下去，只得提前突围，他和胡琏、兵团副司令兼85军军长吴绍周分乘三辆坦克，在11师和战车营的掩护下从双堆集西面打开缺口，突围而出。但在半路，黄维乘坐的坦克发生故障，只好下车步行，被解放军追上俘虏。吴绍周的坦克在过一条小河时因为黄维、胡琏的坦克在前，压坏了浮桥而无法通过，吴绍周索性下车在路边等着解放军就俘。杨伯涛率部没能冲出去，眼看解放军围了上来，他跳入旁边的河里自杀，却因河水很浅，又是冬天河水冷得刺骨，只好爬上岸，被解放军俘虏。覃道善也在乱军中被俘。
至12月16日，黄维第12兵团四个军和一个快速纵队，共十一个师十万余人除18军49师及骑兵团，以及部分突围人员逃脱外，近乎全歼。 当胡琏突围到第6兵团防线内的包家庄时，第12兵团已经覆没了。包括胡琏一手训练的第18军在内的10万人，如今只剩他一个人孤零零的逃了出来，连跟在身边的士兵，都是战车第3团的人。好在，固镇还有第18军骑兵团800多人，可以作为重建部队的依托。几天之内，第12兵团残余的官兵陆续集中到了蚌埠。从双堆集突围最大的一支部队是第18师第53团副团长张灥带领的本团官兵和第114师工兵营一部分数百人，途中和第18师师长尹俊率领的小部队汇合到一起，又收容恶劣一些零散官兵，抵达固镇时，已经有一千二百余人了。
原本在固镇附近，还有第18军所属的第49师5000余人，但这个师属于老整3师的余部，是整18师重建整3师时候，实施插花改编置换过来的，和土木系没有历史关系。名列第18军序列之下，却根本不是胡琏的依靠。果然，没有几天，这个师就被下令拨入第88军序列了。
随第6兵团从蚌埠撤退的时候，胡琏已经收容了两千余人，勉强可以作为恢复部队的基础，但是中高级军官的欠缺是最致命的。原第18军、第10军的师长、团长，突围出来的没有几个人。然而这一切，都要等到南京面见陈诚之后，才有办法。 胡琏向蒋介石面献“重整旧部，续为国用”之策。蒋介石当即任命胡琏为第二编练司令部司令，于新到美援武器中，为其拨足三个军的装备。胡琏不负倚重，即日起程，前往江西，收拢残部游勇，并独出心裁，提出“一甲一兵，一县一团，三县成师，九县成军”的特殊征兵构想，仅数月，得新兵四万。举着在双堆集彻底覆亡的十二兵团的灵幡，又出现在国军的序列之中。
解放军高级军事机构，很快于敌营垒中重新发现十二兵团番号。战场上，此类被全歼又再度恢复之敌，即便延用“王牌”标签，一般均不堪一击，战斗力与其“前身”，不可同日而语。故对敌重新组建之十二兵团，未予足够重视。 叶飞的三野十兵团在千里入闽先下福州又向厦门发起猛攻之时，胡琏的新建十二兵团也从江西退至广东的潮汕一带。胡琏的任务原本是保卫广州，眼看四野攻势犀锐，为保存实力，乃从汕头悉数登船，其回撤方向无非是海南、台湾、金门三地。十兵团情报部门已侦知胡琏正在海上，不排除去驰援金门，但最后判断敌去台湾的可能性为大。此时，金门岛上只有敌李良荣二十二兵团二万余惊弓之卒，十兵团遂下决心，挟大破厦门之余威，一鼓作气再攻金门。
胡琏开始确是要回撤台湾的，航至半途，接获台北电令，“去金门与李良荣换防”，方掉转船头，向金门进发。胡琏船队刚刚驶抵料罗湾，解放军在古宁头的抢滩登陆也已打响，守方一个未走又来一个、平添数万新锐，而攻方仍在按原计划实施操作，势大利于守而不利于攻。交战之初，胡琏对胜负之数并无把握，双堆集的教训太深刻，他不敢再冒空降敌前的风险，坚持蹲在船上指挥，以防不测。后来，发现解放军船只被焚，后援不继，已而降军，才下决心充船登岸，实施更大规模的反包围反冲击。金岛三天大血战，胡琏以伤亡几乎相等的代价，吞咽了解放军登陆部队三个加强团近万人。无可否认，这是国民党军于三年内战中被整师、整军、整兵团地消灭了八百万人马之后，唯一一次歼灭性的胜仗，古宁头名副其实地“大捷”了，“大捷”于蒋氏政权风雨飘摇危如垒卵之际。胡琏，很像一个在最后一分钟乘乱破门的球员，使败方未被剃光头，为惨败挽回了一点面子。 1949年5月13日由原十二兵团残部在上饶成立
司令官：胡琏
副司令官：胡素
参谋长：杨维翰
第十八军 军长：高魁元 副军长：王靖之
第11师 师长：刘鼎汉 副师长：翟连运 参谋长：王文明
第14师 师长：罗锡畴 副师长：夏超
第118师师长：李树兰
第六十七军 军长：刘廉一
第18师 师长：尹俊 副师长：孟述美
第7师 师长：何世统 副师长：刘思镇
第75师 师长：萧圭田 副师长：汪光尧 参谋长：文立征
第114师 师长：王文
1949年9月到达潮汕地区整训时序列，10月移防金门，12月26日改为金门防卫司令部
司令官：胡 琏
副司令官：胡素
参谋长：杨维翰
副参谋长：王文
第十八军 军长：高魁元 副军长：王靖之 尹俊
第11师 师长：刘鼎汉 副师长：翟连运 参谋长：王文明
第43师 师长：鲍步超
第118师师长：李树兰
第十九军 军长：刘云瀚 副军长：唐三才 参谋长：林丰炳
第13师 师长：吴垂昆
第14师 师长：罗锡畴 副师长：夏超
第18师 师长：孟述美
第六十七军 军长：刘廉一 副军长：袁九鹏 参谋长：张莫京
第56师 师长：沈庄宇 副师长：游牧民
第67师 师长：何世统 副师长：刘思镇
第75师 师长：汪光尧
