1948年11月6日晚，解放军中原、华东两大野战军，遵照中央军委和毛泽东主席的战略决策，向盘踞在徐州地区的刘峙集团发起进攻，揭开了淮海战役的序幕。在战役的第一阶段，解放军以歼灭蒋军黄百韬兵团为中心任务。

黄百韬兵团的五个军在得到解放军进攻的消息后慌忙后撤，其中，兵团司令部率领四个军沿陇海路东渡运河，向徐州地区集结，另以战斗力较强、号称“劲旅”的六十三军担任左翼掩护，在堰头分散扎营。11月8日下午，解放军华野九纵的先头部队赶到新安镇时，得知国民党六十三军刚刚离开两个小时，于是奋起直追，于当日傍晚赶到堰头追上了六十三军后卫部队和军部，并立即发起进攻。战斗中，为了迅速渡过一条10多米宽的河流，解放军九纵七十九团10名战士跳进冰冷的水中，用肩膀托起木板架起浮桥，保障部队迅速顺利渡河。战至11月9日拂晓，九纵歼敌2000余人。国民党六十三军余部急向窑湾方向逃跑。

窑湾镇西临运河，北靠沂河，位于两河结合处，镇周围有4米高的土围墙，并且筑有防御工事。为了从窑湾镇渡过运河继续西逃，国民党六十三军于9日上午进入窑湾镇后，军长陈章命令部队控制镇外围的大小村庄，沿围墙加紧修建防御工事与障碍物，又派出工兵连赶到运河边架设浮桥，抢夺船只。这股敌人到达河边时，发现对岸阵地已被解放军华野十一纵先头部队占领。陈章听到报告后，立即增派一个营的兵力强渡运河，企图占领对岸阵地，被解放军击溃，伤亡惨重。万般无奈之下，陈章只得收缩部队，退至镇内固守待援。

此时，解放军华野九纵部队已追击到窑湾，并包围了窑湾国民党六十三军主力。不久，华野一纵部队赶到，九纵按照上级命令，将阵地移交一纵后，迅速渡过运河，前往新的战场执行新的战斗任务。

一纵经过急进行军到达窑湾后，于傍晚即向敌人发起进攻，很快肃清了外围敌人，把窑湾镇围困起来。为防止敌人偷渡，一纵又派出一个侦察营连夜渡过运河，和兄弟部队一起巩固阵地，控制所有渡河船只与器材，完全切断了敌人的西逃退路。

11月10日上午，一纵首长根据情报，召开了由各师师长、政委参加的作战会议，大家研究制定了具体作战方案，报请野战军首长批准施行。

11月11日下午4点30分，战斗打响。一纵按预定方案集中几十门榴弹炮和山炮向敌人主阵地和军指挥所猛烈轰击，窑湾镇小东门的城墙首先被炸塌，接着部队又组织了多次爆破，摧毁了敌人的工事和障碍物。各师按纵队的部署，采取“击破一点，大胆猛插，直捣纵深”的战术，同时向窑湾发起攻击。经过激烈的战斗，部分解放军战士登上城墙，并打退了敌人的三次反扑，乘势向纵深发展。不久，攻入城内的部队和城外部队里应外合，又相继突破了其他各城门，和守敌展开了反复厮杀，逐屋争夺，从东、南、北三个方向冲向位于镇中心的天主堂——敌军部指挥中心。战斗中，徐州方面的国民党军多次出动飞机前来助战，向被围六十三军空投粮食和弹药，结果大部分被攻入城内的解放军缴获。

由于电话线被切断，敌军长陈章无法指挥，只得亲自指挥身边的一个团试着向南门突围，但冲锋数次，均被解放军截回，损失惨重。随着解放军包围圈的逐渐缩小，国民党残部纷纷缴枪投降，两个师长也“弃职逃走”。一纵一师二团五连的20名战士冲入敌军部后，里面的200多个敌人立即缴枪投降。有个投降的副团长还主动吹起集合号帮助解放军召集俘虏，一下子又集合了包括5名营级干部在内的400多人。这些人全部放下武器后，排成三路纵队，在解放军1个班的押送下离开镇子。

敌军长陈章见大势已去，慌忙带领几个卫兵向运河方向逃窜，企图利用木板泅水，顺流南下。谁知刚逃到河边，就遭遇解放军密集火力的扫射，中弹毙命。

12日拂晓，窑湾战斗胜利结束。据统计，此次战斗，华野一纵共计歼灭国民党六十三军两个师5个团共13700余人，沉重打击了黄百韬兵团，为解放军完成淮海战役第一阶段的作战任务创造了有利条件，受到野战军首长的通令嘉奖。