就在蔣介石飛抵沈陽的同一天，即10月2日清晨，東北野戰軍總部的列車到達鄭家屯以西。這時，林彪得到報告，在葫蘆島，敵軍新來了4個師。林彪擔心錦州未攻下便受到沈陽、錦西、葫蘆島三方援敵夾擊，到時部隊油料耗盡，大量汽車、坦克、重炮撤不走，將陷入危局。於是，他命令列車暫停前進，當晚給中央軍委發去特急電報表示："......在戰鬥未解決之前，敵必在錦西葫蘆島地區留下一兩個師守備，抽出五六個師的兵力，采取集團行動向錦州推進。我阻援部隊不一定能堵住該敵，則該敵可能與守敵會合。在兩錦間敵陣地間隙不過五六十裏，無隙可圖。錦州如能迅速攻下，則仍以攻錦州為好......目前如攻長春，則較6月間準備攻長春時的把握大為增加。"林彪簽發這一電報後，攻錦部隊仍按原部署繼續向錦州推進，東總列車亦於深夜繼續南進。
10月3日清晨，林彪與政委羅榮桓、參謀長劉亞樓緊急磋商。林彪說："隻準備了一桌菜，突然來了兩桌客，怎麼辦？"羅、劉建議仍然按原部署攻打錦州。林彪考慮了一會，命秘書把電報追回來，但電報已於淩晨4時發出。林、羅、劉三人便於上午9時重新給軍委發電表示："我們擬仍攻錦州。"10月4日晨6時，毛澤東複電表示："你們決心攻錦州，甚好，甚慰。""在此之前我們與你們之間的不同意見，現在都沒有了"
10月5日，東野"前指"到達位於錦州西北、距錦州30多裏的（牛亡）牛屯。林彪察看了地形後，立即召開軍事會議，擬定了總攻錦州和打援的具體作戰方案：以第2、第3縱隊和第6縱隊之第17師，以及炮兵縱隊主力和坦克營，組成北突擊集團，由第3縱隊司令員韓先楚指揮，由城北向南突擊；以第7、第9縱隊及一部分炮兵，組成南突擊集團，由第7縱隊司令員鄧華指揮，從城南向北突擊；以第8縱隊及第1縱隊炮兵團，組成東突擊集團，由第8縱隊司令員段蘇權指揮，從城東向西突擊；以第4、第11縱隊及2個獨立師位於打漁山、塔山和虹螺蜆一線，由第2兵團司令員程子華指揮，阻擊葫蘆島和錦西方向的援敵；以萬毅第5縱隊、黃永勝第6縱隊（欠第17師）、梁興初第10縱隊（附第1縱隊第3師），位於新民以西、以北地區，堵擊由沈陽出援的敵"西進兵團"；李天佑率第1縱隊（欠第3師）位於錦州和塔山之間的高橋，作為戰役總預備隊，既可北攻錦州，也可南援塔山。
塔山是北寧線上一個小村落，位於錦州、錦西之間，距錦西10餘公裏，距錦州30公裏，是由錦西增援錦州的必經之地。林彪強調指出："攻擊錦州最重要的保證，是要把錦西方麵的敵軍擋住。兩錦相距約50公裏，萬一堵不住敵人，攻錦部隊就要受到很大威脅"10月5日，林彪致電4縱："你們必需利用東自海邊西至虹螺蜆山下一線約20餘裏的地區，作英勇頑強的攻勢防禦，利用工事大量殺傷敵人，使敵人在我陣地前屍橫遍野......而使我軍創造震動全國的光榮的防禦戰。"
10月6日，蔣介石乘"重慶"號巡洋艦到達葫蘆島第54軍軍部，部署錦、葫國軍增援錦州的作戰任務。他對眾將領說："這一次戰爭關係重大，等華北2個軍及煙台1個軍運到後，協同沈陽5個軍夾擊攻錦州的共匪，然後接應沈陽我軍主力到錦州。各將士的任務重大，幾十萬人的生命，都交給你們負責。要以殺身成仁的決心，擊滅共匪......"蔣並交代以後葫蘆島部隊歸侯鏡如司令官指揮，在侯未到以前，由闕漢騫統一指揮向塔山、錦州攻擊。同時指定海軍司令桂永清及第三艦隊司令馬紀莊指揮海軍以大炮擊毀塔山解放軍陣地，協助陸軍攻擊。
蔣介石在葫蘆島部署完畢後，於7日乘"重慶"號返天津塘沽。蔣用白手套在艦上到處摸，發現有灰塵，氣得大罵海軍司令桂永清："海軍腐化墮落成這樣，要亡國的！"
10月10日起，國軍"東進兵團"3個軍9個師（第39軍的2個師15日才到達，未參戰），先由第54軍軍長闕漢騫指揮，後由第7兵團司令侯鏡如指揮，在空軍、海軍掩護下，以鬥牛式的戰法，輪番向塔山附近東北野戰軍第4縱隊陣地發起正麵強攻。至13日，國軍連續猛攻均被打退，塔山陣地仍被解放軍牢牢控製在手中。這時，東野攻錦主力部隊的外圍戰鬥已結束。當天深夜，劉亞樓電話通知各攻錦部隊："攻城準備就緒，明天上午總攻錦州。"蔣介石感到錦州城已岌岌可危，連夜電令侯鏡如："拂曉攻下塔山，12時占高橋，黃昏到達錦州！"
10月14日淩晨6時，侯鏡如指揮部隊向塔山解放軍陣地發起狂衝，雙方展開了幾天來最為慘烈的陣地爭奪戰。東野第2兵團司令員程子華向"東總"報告，戰鬥異常激烈，部隊傷亡很大。此時，總攻錦州的命令尚未下達，塔山陣地已9次易手。如果在攻城戰鬥突破階段塔山失守，敵"東進兵團"將像潮水一般在一個小時內湧來，即可直逼錦州，攻城部隊將腹背受敵。這樣一來，不但整個遼沈戰役的總計劃被打亂，東北野戰軍主力也將受到極端嚴峻的威脅。劉亞樓麵對如此嚴峻的形勢，猶疑了，這是關係到東北野戰軍幾十萬大軍生死存亡的事啊！林彪俯看桌上的地圖，眼睛緊訂著塔山這個幾乎看不見的小村落，果斷地向劉亞樓揮了揮手，示意下達"總攻開始"的命令。劉亞樓還未拿起電話，沉默了半天的林彪終於開口說話了："告訴程子華，我隻要塔山，不要傷亡數字！"
10月14日10時，劉亞樓下達了總攻令。東野炮縱集中500門大炮向錦州城內預定目標猛烈轟擊。11時30分，各突擊隊發起衝擊。至10月15日18時，攻克錦州城，全殲國民黨守軍十萬餘人，生俘東北"剿總"副總司令兼錦州指揮所主任範漢傑上將和第6兵團司令盧浚泉中將。侯鏡如聞錦州失守，也暫時退回了錦西、葫蘆島。
當晚，林彪在指揮所接見範漢傑、盧浚泉。林彪詢問範漢傑對錦州一戰的看法。範漢傑沮喪地說"打錦州這一著，非雄才大略是下不了這個決心的，錦州好比一根扁擔，一頭挑東北，一頭挑華北。現在扁擔斷了。"又說："貴軍炮火猛烈，出乎意料。我們的炮火全被壓製住了。"接見盧浚泉時，林彪要盧浚泉給鎮守長春的第60軍軍長曾澤生通個電。第60軍與盧浚泉的第93軍同屬滇軍，盧浚泉同曾澤生有袍澤之誼。盧浚泉當即起草了勸曾澤生率部起義的電報。
10月15日錦州城破之日，蔣介石又飛抵沈陽，派飛機去長春空投手令給鄭洞國，要其率部立即突圍南撤，否則將受到"嚴厲之軍紀製裁"。但長春守軍沒有往火坑裏跳，10月17日，第60軍軍長曾澤生率所屬3個師2.6人萬起義。當晚，解放軍悄然接管了長春東半城第60軍的防務。19日，新7軍軍長李鴻率其軍部及所屬3個師投降。鄭洞國及其司令部仍踞守長春銀行大樓，派人與解放軍接洽，要求允許他再"抵抗"一兩天，並發布一個他受傷被俘的消息。鄭的要求獲得解放軍同意。21日4時，鄭洞國率部放下武器。
梁興初死守黑山廖耀湘敗師遼西
廖耀湘率"西進兵團"出遼西後，於13日占領彰武，15日進占新立屯。錦州失守後，衛立煌認為廖兵團再無西進的必要，應迅速撤回新民，否則又有被解放軍包圍消滅的危險。但蔣介石於10月16日回北平後，連電衛立煌迅速向錦州攻擊，而衛立煌堅決不令廖耀湘繼續西進，又不敢令廖撤回新民。
10月19日，蔣介石在北平召集傅作義、衛立煌和杜聿明開會，討論收複錦州事宜。會上，衛堅持要集中兵力守沈陽，而蔣則非要收複錦州不可。杜聿明認為東北國軍士氣不振，各軍殘缺不全，要打也得經過補充整訓，才可以相機對錦州攻擊。蔣說："我們有空軍優勢、炮火優勢，為什麼不能打？我認為可以打！"杜鼓起勇氣問蔣介石："校長看收複錦州有幾成把握？"蔣說："六成把握總有。"杜覺得蔣介石似乎老糊塗了，有六成把握就想同解放軍決戰。於是引孫子兵法說："廟算勝者得算多，廟算不勝者得算少，多算勝，少算敗。現在我們算到六成，隻會失敗，不會勝利。"但蔣執意收複，強令廖耀湘兵團以營口為後方全力攻錦州，劉玉章第52軍先占領營口掩護後方。同時，蔣介石又任命杜聿明為東北"剿總"副總司令兼冀遼熱邊區司令官，指揮葫蘆島、錦西部隊向錦州攻擊。蔣並說："你們對共匪作戰都喪失了信心，我料定隻要我軍主力從沈陽出來攻擊，與葫蘆島各軍南北夾擊，共匪必退，我們就可以收複錦州。萬一把共匪打不退，有52軍占領營口掩護後路，再令廖耀湘撤退也不晚。"
就在長春即將解放之際，毛澤動認為，東北野戰軍下一仗以向南打錦西、葫蘆島之敵為有利。但林彪認為，如攻錦西，須準備在海岸邊與敵12個師作戰，地區狹窄，自己大兵團用不上，敵則扼原有強固工事抵抗，戰鬥不能很快解決，而廖耀湘西進兵團則可能乘虛進占錦州，對己不利。因此，林彪於19日致電軍委建議："如廖耀湘仍繼續向錦州前進時，則等其再前進一步後，再向其進攻。但有若幹跡象廖不再前進，或有向沈陽、營口撤退的情況時。則立即迅速包圍廖兵團，以各個擊破的方法，將其全殲，使之不能退回沈陽和退至營口。"毛澤東最擔心的就是擁有大量精銳部隊的廖耀湘兵團從營口逃跑，所以他完全同意首先將該兵團圍殲在遼西沈、錦之間，立即複電林彪，要求"既本此方針，即刻動手布置，鼓勵全軍完成任務。"
10月20日，林彪發布作戰命令：劉震第2縱隊、韓先楚第3縱隊、鄧華第7縱隊、段蘇權第8縱隊、詹才芳第9縱隊、李天佑第1縱隊及第6縱隊第17師和炮兵縱隊，立即由錦州地區隱蔽向新立屯、大虎山、黑山方向疾進，從兩側迂回包圍廖耀湘兵團；萬毅第5縱隊、黃永勝第6縱隊分別由阜新、彰武地區南下，切斷廖耀湘兵團往沈陽的退路；梁興初第10縱隊和第1縱隊之第3師由新立屯東北地區後撤至黑山、大虎山地區，構築工事，堅決阻敵前進，以爭取時間等待主力回師，爾後配合主力部隊圍殲敵軍；吳克華第4縱隊、賀晉年第11縱隊在塔山地區繼續阻擊錦西方麵敵軍，保障主力作戰安全；獨立第2師以4天時間趕到營口，切斷敵軍海上退路。23日，林彪又電令第10縱隊："務使敵人在我陣地前屍橫遍野而不得前進。隻要你們堅守3天，廖耀湘西進兵團必遭全殲！"
10月23日9時，廖耀湘兵團向黑山、大虎山發起猛攻。東野第10縱隊司令員梁興初命令各師："死守3天，不讓敵人前進一步！"第10縱隊將士以與陣地共存亡的決心，進行頑強的抗擊，寸土必爭。經過3天激戰，10縱守住了黑山、大虎山陣地，使廖耀湘兵團失去了西進的可能和南撤的寶貴時間。廖耀湘以5個師的兵力連日攻擊黑山、大虎山陣地受挫，使他西進攻打錦州的決心動搖，遂於25日晚下令向東南營口方向撤退，但行至台安附近便遭東野第8縱隊第23師和正奉命由盤山北進的獨立第2師阻擊，廖耀湘誤以為是共軍主力，又於26日按衛立煌的命令向東撤回沈陽，卻被黃永勝的第6縱隊堵住去路。至此，廖耀湘兵團10萬人馬全部陷入東野數十萬大軍的重重包圍。廖耀湘走投無路，仰天長歎："10萬精兵啦！老天呀！"
東野隨即展開了對廖耀湘兵團的大圍殲，采取邊合圍，邊分割、邊殲滅的戰法，並直搗其指揮中心。韓先楚的第3縱隊僅用3個小時，便一舉端掉了廖耀湘的兵團指揮部和新1軍、新6軍、新3軍軍部。廖耀湘10萬人馬群龍無首，亂成一團。廖耀湘急得用明語呼叫："部隊到二道崗子集合！"林彪立即下令：以亂對亂，哪裏有槍聲就往哪裏打，並命部隊到二道崗子去抓廖耀湘。至10月28日拂曉，遼西會戰結束，廖耀湘西進兵團所屬新1軍、新6軍、新3軍、第71軍和第49軍共計5個軍12個師10萬餘人全部被殲滅，兵團司令廖耀湘中將、新6軍軍長李濤中將、第71軍軍長向鳳武中將、第49軍軍長鄭庭芨中將被浮。新1軍軍長潘裕昆和新3軍軍長龍天武隻身逃回沈陽。
26日，當蔣介石在北平得知廖耀湘兵團在遼西走廊遭到解放軍圍殲時，在日記中寫道："東北全軍，似將陷於晝黑之命運，寸中焦慮，誠不知所止矣。"
遼西會戰正酣時，林彪就已在部署下一步戰事了。10月26日，命令鍾偉第12縱隊和5個獨立師及1個騎兵師，由長春星夜兼程南下，切斷沈陽之敵的退路。28日，命令遼寧軍區迅速占領遼河渡口，架橋準備大軍過河進軍沈陽。
定東北林彪建功失重鎮衛氏替罪
10月27日，蔣介石將杜聿明召到北平，商討對策。蔣起初還想調海軍運輸艦將葫蘆島的部隊海運營口登陸策應廖兵團從營口撤退。杜認為要將葫蘆島的部隊運到營口，至少也要一個星期。在這一周內，廖耀湘要是存在的話，就可以自己打出來退到營口，否則一兩天就完了。再把葫蘆島的隊伍調去，等於白白送死。他建議蔣介石趕快調船把營口的部隊撤退。蔣最後同意調船撤離營口的第52軍，同時命周福成指揮第53軍、第6軍207師死守沈陽，並派杜聿明到沈陽召集周福成等部署沈陽防務。當天中午，杜聿明由北平飛沈陽，途中命令錦西各部隊停止攻擊，退回錦西既設陣地，嚴防解放軍反攻。晚上，杜聿明飛到沈陽，與衛立煌研究如何鞏固沈陽防務或撤退營口。衛這時心緒繚亂，坐臥不安，隻是重複地說："我早就向他（指蔣介石）說，出了遼西走廊就會全軍覆沒，他不相信，我畫個十字，他也不信。現在你看我說中了罷！"又說："從前我要守，他不肯守，現在什麼也沒有了，如何守法呢？"杜問衛："退營口怎麼樣？"衛說："長春敵人幾個縱隊已南下，退出去也馬上完蛋。"杜聿明也覺得的確是退守兩難，隻有照蔣介石的命令，叫周福成指揮現有部隊死守沈陽。第二天，杜聿明回到葫蘆島，著手部署撤退營、葫的部隊。衛立煌見大勢已去，於30日乘飛機離開沈陽。