12月15日，整編第11師師長鬍璉以宿新兵團前線指揮官的名義召開作戰會議。會上，整編第69師師長戴之奇指責整編第11師進展緩慢；而胡璉則批評整編第69師輕舉冒進，不夠穩重。2個指揮官的矛盾，導致了而後戰役發展過程中的互不配合。
15日黃昏，解放軍各參戰部隊按預定計畫進至集結位置，並立即發起攻擊。第8師首先集中兵力，突擊位於嶂山鎮與曉店子之間的重要制高點峰山。峰山高50餘米，山腳築有能相互支援的獨立集團工事，山頂構築圍寨，四周挖寬6米、深3米之外壕，壕外設置鹿砦、鐵絲網等防禦工事。守軍為預備第3旅的1個加強營。
山東野戰軍第8師是一支擅長攻堅的部隊。該師為了不誤戰機，經過連續6天急行軍，在趕到戰場的15日當晚，就集中第23、第24團，約5倍於敵的兵力，從西南、西北兩面會攻峰山。
自西南進攻的第23團突擊營第1營，連續組織3次強攻，一度突入山頂之外壕，由於溝深壕寬，在敵人密集火力下受到重大殺傷，進攻受阻。此時，天將拂曉，第1營副政治教導員考慮到峰山能否及時攻克，將直接影響整個戰役的進程，立即組織全營僅存的40餘名幹部戰士，冒著熾烈的敵火，組織第4次衝擊。團指揮所也集中全部火炮和輕重機槍進行火力掩護。突擊營選擇較隱蔽的接敵地形，迅速排除鹿砦、鐵絲網，跳進外壕，搭人梯爬上溝崖，在由西北方向進攻的第24團配合下，終於在拂曉前攻佔峰山主陣地，全殲守軍。
17日，國民黨軍集中第60旅和預3旅約2個團的兵力，在飛機、炮火掩護下向峰山進行多次反擊，均被擊潰。解放軍控制了這一戰場制高點，不僅割裂了據守宿新公路上嶂山鎮、曉店子各部國民黨軍的聯繫，而且直接威脅路東各點國民黨軍的側翼，為戰役的順利發展創造了有利條件。
為切斷敵整編第11師與整編第69師的聯繫，我第1縱隊於15日晚以第3旅主力自曉店子、井兒頭之間入敵防禦縱深，直逼整編第11師師部駐地曹家集地區，殲滅了該師的直屬工兵營、騎兵營。這一行動極大震撼了該師指揮部，打亂了其進攻部署。次日拂曉，該旅因處境孤立，主動撤回曉店子以西地區。
在遭到解放軍的突然打擊後，國民黨軍徐州綏署副主任吳奇偉一面令整編第69師各部收縮兵力，固守各村落；一面令整編第11師北援策應。解放軍以第1縱隊第3旅在宿沭公路北側的高家窪、蔡林一線構成對整編第11師的阻擊正面；同時，以第1縱隊主力，第2、第9縱隊及第7、第8師，將整編第69師師部及第41、第60旅、預備第3旅分割包圍於宿遷以東以北之人和圩、苗庄、羅庄、曉店子等地。
在解放軍圍攻整編第69師各部期間，整編第11師先後以1個至2個團的兵力向北增援，遭到第1縱隊第3旅的頑強抗擊。在增援不成的情況下，緊鄰整編第69師師部人和圩南側的整編第11師第18旅，不顧友鄰安危，悄然後撤，為解放軍圍殲整編第69師師部提供了有利條件。國民黨政府國防部戰後評述：「此次整11師撤退，未能適時通報，以致影響整編第69師蒙受重大損失。」（國民黨國防部：《綏靖第一年重要戰役提要》）
解放軍在堅決阻擊援敵的同時，集中兵力，逐點攻殲已被分割包圍的整編第69師各部。首先殲滅了曉店子、嶂山鎮的預備第3旅，使整編第69師師部及所屬第41、第60旅進一步陷於孤立。這些部隊均處於由進攻倉促轉入防禦的狀態，沒有堅固的工事可資依託。雖擬固守待援，但戰至18日，仍得不到友鄰的有力支援。整編第69師師長戴之奇不得不發出最後一個指令：「解圍之希望已斷絕，余受友鄰之欺」，令所屬部隊「速設法相機突圍」。（轉引自《宿北戰役敵情資料彙編》）但為時已晚，各旅、團或就地、或在突圍時先後就殲，中將師長戴之奇自殺，少將副師長饒少偉就俘。