东北敌军卫立煌集团辖四个兵团，共十四个军四十四个师五十五万人，分别被我分割包围在长春、沈阳、锦州三个互不相联的地区。其中，东北“剿总”总司令卫立煌率第八兵团（周福成）、第九兵团（廖耀湘）共八个军二十四个师三十万人，防宋沈阳地区，作为防御中枢集团，以确保沈阳并伺机增援长春、锦州；东北“剿总”副总司令兼第一兵团司令郑洞国率第两个军六十师共十万人，防守长春孤城，牵制我军主力；东北“剿总”副总司令兼锦州指挥所主任范汉杰率第六兵团四个军十四个师十五万人，防守义县至秦皇岛一线，重点在锦州、锦西地区，以确保与关内的陆海联系。敌军企图集中兵力，重点守备，以牵制东北我军于关外，并妄图打通北宁路，如形势不利即撤至关内。东北我军于冬季攻势后，为适应“大兵团、正规化、攻坚战”的需要，主力位于长春周围及长春、沈阳之间，先后进行了整编，加强了以炮兵为重点的特种兵建设。至辽沈战役进行时，东北野战军已有十二个步兵纵队、一个炮兵纵队和十七个独立师共六十余万人，加上机关和地方部队总兵力已达一百余万人，东北地区敌我兵力对比，我军已占相当大的优势。东北解放区已拥有全东北百分之九十八以上的土地，百分之八十六以上的人口，并控制了百分之九十五的铁路线。
为了就地全歼东北之敌，中央军委指示东北野战军置长春、沈阳两敌于不顾，主力南下北宁路，首先歼灭锦榆段之敌，攻占锦州。锦州，是东北敌军通向关内的咽喉，攻占这一战略要点，不仅割裂了傅作义、卫立煌两集团之间的联系，便于我军向两翼机动作战，而且把卫立煌集团封闭于东北，形成“关门打狗”之势，并可诱使沈阳之敌出援，造成打运动战的条件。因此。攻克锦州是整个战役的关键，只要攻克了锦州，就掌握了战局的主动权。但是林彪开始不愿以东北野战军主力南下北宁路作战，继则又不敢集中优势兵力攻歼锦州之敌，甚至想回长春，表现了林彪思想上的右侧保守。 为了配合东北战场的作战，中央军委还指示华北军区第2、第3兵团发起察绥战役，以牵制傅作义集团，使其无暇东顾。

    根据中央军委指示，东北野战军于九月十日决定了南下北宁路作战部署，以六个纵队另四个师对付锦州范汉杰集团，以三个纵队）欠一个师）位于沈阳以西地区，以二个纵队位于沈阳以北地区，对付沈阳之敌，并阻止长春之敌突围，以第一兵团指挥第12纵队及六个独立师包围长春之敌。
九月十二日，东北我军发起了辽沈战役。至十月一日，分别歼灭了绥中、沙后所、兴城、义县之敌，占领了塔山、高桥，把北宁路锦州至秦皇岛段上的敌军分割孤立在锦州和锦西、葫芦岛以及秦皇岛、山海关三个地区，完成了对锦州的包围，切断了东北敌军通往关内的唯一陆上通道。十月二日，蒋介石飞抵沈阳，慌忙决定从华北及山东抽调七个师，连同锦西、葫芦岛的四个师，共计十一个师的兵力，由第17兵团司令侯镜如指挥，组成“东进兵团”，以沈阳地区十一个师、三个骑兵旅，由第九兵团司令廖耀湘指挥，组成“西进兵团”，企团东西对进，增援锦州。东北野战军遵照中央军委进一步集中兵力迅速打下锦州，以掌握主动权的指示，决定增调第1纵队（欠第3师）第2纵队（欠第5师）由辽西南下，参加攻锦作战。最后确定攻锦的部署是：以主力第2、第3、第7、第8、第9纵队及第6纵队第17师共十六个师的兵力及炮兵纵队主力，攻歼锦州之敌；以第2兵团指挥第4、第11纵队及两个独立师共八处师，在塔山地区坚决阻击敌“东进兵团”；以第1纵队（欠第3师）位于高桥为总预备队。另以第5、第6（欠第17师）、第10纵队（附第1纵队第3师），位于新民以西、以北地区，牵制敌“西进兵团”：以第12纵队南下通江口地区，准备参加新民方向的打援和截击长春突围之敌；经第1兵团指挥九个独立师继续围困长春。十四日，我军对锦州发起总攻，十五日，即攻占锦州，全歼守敌范汉杰（俘）以下十万余人，封闭了东北敌军陆上的逃路。在攻取锦州的同时，我塔山地区阻援部队展开了激烈的阻击战，成功地保障了锦州方向的作战。

     我军攻克锦州后，长春守敌鉴于突围无望，守必被歼，在我攻锦州胜利与强大的政治攻势影响下，第60军军长曾泽生于十七日率部起义，十九日郑洞国率新编第7军等部投诚，我军解放长春。

     锦州、长春解放后，蒋介石坚令廖耀湘兵团与锦、葫地区之敌继续东西对进，企图重占锦州，并令第52军主力抢占营口，以便东北残敌经由陆路或海上撤逃。这时，毛泽东指出，敌东西对进，对我有利；同意东北野战军不找锦、葫，集中主力全歼敌廖耀湘兵团，采取诱敌深入打大歼灭战的方针，在运动中各个歼灭敌人；要求东北我军必须部署有力兵团于营口及其以西、以北地区，堵塞敌人海上退路。十月二十日，东北我军遵照毛泽东的指示，除留两个纵队位于塔山地区继续阻击敌“东进兵团”外，主力由锦州地区挥师北上，求歼敌廖耀湘兵团，并以第5、第6两个纵队退至黑山、大虎山地区，坚决阻敌前进，以掩护我军主力由两翼插至廖耀湘兵力后方，围歼该敌，并以第12纵队率五个独立师，星夜兼程南下，以拖住沈阳之敌并断其南逃退路。至二十五日，敌人在黑山、大虎山攻击受阻，其退路被我切断，廖耀湘见我主力已逼近两翼，有被包围歼灭的危险，遂于当晚向营口撤退，其先头在台安附近遭我独立第2师阻击，误认为是我军主力，又掉头向东，企图逃回沈阳。二十六日，我军全线出击，在大虎山以东地区对敌展开了大规模的围歼战，采取边合围，边分割、边歼灭的战法，至二十八日，即将廖耀湘兵团十万余人全部歼灭，俘敌兵团司令廖耀湘。
二十八日，辽西作战基本结束时，为迅速歼灭沈阳、营口之敌，东北我军即以第1、第2、第12纵队向沈阳，第7、第8纵队向沈南，第9纵队向营口急进。十一月一日，我军突入沈阳市区，敌人迅速瓦解，二日，东北最大的城市沈阳宣告解放！同日。营口之敌除第52军部率第25师等万余人自海上逃跑外，其余为我歼灭。至此，辽沈战役全部胜利结束。锦西、葫芦岛之敌十二个师于九日分别逃往天津、上海。

    辽沈战役自九月十二日至十一月二日，历时五十二天，共歼敌三十六个整师四十七万人，解放了东北全境。从此，东北野战军成为一支强大的战略预备队，这对于尔后顺利平津战役和加速全国的解放都有着重大的战略意义。

    遵照中央军委指示，各战区在东并野战军进行辽沈战役前后，也相继发动攻势，歼灭了大量敌人。
华北军区第2、第3兵团，在陕甘宁晋绥联防军区一部配合下，于九月七日至十一月十五日进行了察绥战役，解放了绥东、察北广大地区，进占包头，包围归绥，歼敌二万一千余人，迫使傅作义在平绥路上往返调动军队，不敢大力增援东北，有力地配合了东北野战军的作战。 华东野战军于九月十六日至二十四日，采取攻济打援的作战方法，进行了济南战役，全歼守敌十万余人，生俘第2绥靖区司令官王耀武。济南战役的胜利，开创了我军夺取敌坚固设防和重兵据守的大城市的先例，严重地打击了国民党军坚守大城市的信心，动摇了蒋介石反动军队内部，正如中共中央在贺电中指出的：济南战役“是两年多革命战争发展中给予敌人的最严重的打击之一”。接着，我军又收复了临沂、烟台等地，除青岛外基本上解放了山东全境。

    西北野战军于八月八日至十三日、十月五日至十八日和十一月十五日至二十八日，先后进行了澄合、荔北战役和冬季攻势，歼敌胡宗南部六万余人，将胡宗南集团箝制在西北战场，有力地配合了其他战场的作战。中原野战军于十月二十日至二十四日，进行了郑州战役，使敌人未能抽调更多的兵力增援东北。
    辽沈战役及在此期间其他战役的胜利，使全国的军事形势发生了一个根本的变化。我军不但在质量上早已占优势，而且在数量上现在也已经占有优势。敌军总兵力下降至二百九十万人左右，我军则增至三百余万人。这就使我们预计的战争进程大为缩短，毛泽东估计，再有一年左右时间即可将国民党反动政府从根本上打倒。