被困在睢縣包圍圈裏的是區壽年兵團，它的官方招牌是“第七兵團”，這本來是個只有兩個整編師（整75師、整72師）的小兵團，規模與邱清泉整編第5軍（整編第5師、整編第70師）或者胡璉兵團（整編第11師、整編第3師）差不多。豫東戰役爆發前，國民黨軍事高層已經意識到戰爭的決戰階段即將到來，以往的小兵團編制已經不適合形勢的需要，所以決定把屬於雜牌性質的區壽年兵團兼並掉、重新組建壹個由四個整編師合成的大兵團——這對於掌管兵權的將軍們來說當然是個擴充實力的大好機會，可是，由誰出掌未來的“第七兵團”呢？杜聿明提出的人選是邱清泉、而陳誠則推薦胡璉，搞得蔣總裁很是拿不定主意。就在這時，正等著被兼並的區壽年兵團卻被解放軍給包圍了，於是邱將軍連忙從北邊趕來救援、胡將軍趕緊從南邊跑來解圍，大有點誰先揀到區兵團就歸誰指揮的意思。
解放軍早就料到這兩路人馬有可能跑來湊熱鬧，於是華野部隊在杞縣擋住了邱清泉、中野部隊在淮陽頂住了胡璉，兩路援兵連攻數日毫無進展，這就給了黃百韜壹個機會。
抗戰時期，顧祝同擔任第三戰區司令長官，黃百韜是他的參謀長，現在正以陸軍總司令的身份主管徐州戰區，當然願意找個機會照顧照顧自己的親信部下。本來，黃百韜已經內定為“第壹綏靖區司令長官”，這個職務只有虛名沒有兵、還不如整編第25師師長的位置更實惠壹些，所以顧總司令趕緊想辦法，提出讓黃百韜也參加救援區兵團的競爭，蔣總統壹高興、居然就答應了，於是黃師長就興沖沖地從山東兗州趕回來搶這把“第七兵團司令長官”的交椅。可這時候老黃的手裏只有壹個整編第25師，份量明顯不如胡璉和邱清泉，於是乎，顧總司令就配上了第三快速縱隊和第二交警總隊，湊足壹個“黃兵團”，讓他上陣大幹壹場。 經開封、睢杞兩階段作戰後，華野傷亡又大，又疲憊，已成強弩之末，應見好就收，但粟裕口張得太大，勉為其難，造成了虎頭蛇尾。區壽年被俘後曾對與粟說：“妳胃口太大，違反了兵家之道，接下來要失敗。”粟不以為然。
整編第25師見華野蜂擁而上，鎮定地退入帝丘店為中心的村莊內防守。同時第三快速縱隊傘兵第壹團由於期間遭華野偷襲，損失較大，司令張滋緒壹面命傘壹團撤回商丘，其余部隊撤入帝丘店防禦。華野不顧傷亡，日以繼夜猛攻，希望壹鼓作氣吃掉整編第25師以及第三快速縱隊。而位於馬莊和陳崗第二交警總隊在總隊長張績武的指揮下也繼續死守。黃百韜兵團連日血戰，形勢危急。
黃百韜壹面奮戰，壹面苦思破敵之策。曾國藩給他很大啟發，即“凡善亦者，棋危劫急之時，壹面自救，壹面破敵，往往因病成妍，轉敗為功”。之前保密局少將朱庚揚希望“建功立業”，從宿縣的國軍裝甲兵學校帶著二十四輛坦克（冒充坦克的改裝而成的大卡車），被黃百韜截下二十輛。於是黃百韜親率兩營部隊，在四輛坦克掩護下，反守為攻，發動逆襲，創造了國軍戰史上兵團司令帶隊沖鋒的唯壹戰例，他的參謀長死勸也未攔住他。
面對絕對優勢***產黨軍隊，他的部隊傷亡重大，108旅團長李景春重傷倒地，黃本人也受傷，仍大呼口號，死戰不退，部隊受司令激勵、鼓舞，拼死猛沖猛打，壹舉奪回田花園，劉樓等村莊，遏制了華野進攻勢頭，穩定了陣線。這壹仗打得昏天黑地，雙方都付出沈重代價。 豫東戰役對國***內戰華東戰場態勢造成了深遠影響。
粟裕回憶豫東戰役時說：“這次戰役，是壹次包括攻堅戰和運動戰在內的規模較大、持續時間較長的大兵團作戰，也是我親身經歷的最復雜、最劇烈、最艱苦的戰役之壹”，“這是華東野戰軍主力轉入外線作戰後進行的第壹個大殲滅戰，也是解放戰爭開始以後的整整兩年中華東野戰軍進行的第壹次最大的殲滅戰”。 並評價豫東戰役的勝利，改變了中原和華東戰場的戰略態勢。從此，在中原戰場，國軍已經完全失去了對解放軍發起戰役性進攻的能力，並更加動搖了國軍據守戰略要點的信心。
原計劃救援兗州的黃百韜兵團改援豫東，使國軍在山東戰場付出了沈重代價。在救援不至的情形下，華野山東兵團於7月12日攻破兗州，俘虜2.4萬人，自此津浦路濟南到徐州段所有城鎮陷落***軍之手，駐守濟南的王耀武第二綏靖區被完全孤立，兩個月後的濟南戰役中被華野全殲。
當時華野6縱副司令員皮定均後來回憶帝丘店戰鬥說：“此戰我們僅殺傷敵軍壹個整師，但是我們“三弟兄” (華野1、4、6縱)都殘廢了。”
由於解圍有功，國防部頒給黃百韜青天白日勛章。但同樣勞苦功高的邱清泉卻被認為“行動遲緩，應另行議處”，未受褒獎，由此和黃百韜有隙。四個月後的淮海戰役，黃百韜率第7兵團在碾莊被圍，有傳言負責救援的邱清泉兵團應付消極。
中華民國國防部在其《中原會戰經過及檢討》中說，此次豫東會戰，“***軍表現特異的有三敢：敢集中主力作大規模之會戰決戰；敢攻我大據點；敢對戰場要點作頑強固守，反復爭奪。”
粟裕在濟南戰役前，匯報說受豫東戰役影響，“西兵團七個縱隊，自開封、睢杞兩戰役後，所補俘虜不夠補償傷亡，部隊極不充實(每連只四至六個步槍班)，尤其幹部傷亡太大，至今無法補充，許多營連有政幹無軍幹，有軍幹無政幹，而營連排幹部太新太弱(五月中補充之新兵已當副連長)，班排幹部俘虜成份不少，因此團級(老的多)與營以下脫節現象甚嚴重。團以下各級對個人前途悲觀的傾向亦較普遍(因前方戰鬥劇烈，傷亡甚大，而見到後方環境安全舒適，革命又快要勝利，極想保存自己，以享受和平生活，但不知自己何日報銷，故團以下幹部保命思想較普遍)。”
此戰後，毛澤東在接見前來匯報戰況的華東野戰軍特種兵縱隊司令陳銳霆時說：“解放戰爭好象爬山，現在我們已經過了山的坳子，最吃力的爬坡階段已經過去了。”