青年軍二○七師的全體官兵都是從各部隊挑選的國民黨黨員，十分反動而頑固，這時在沈陽有兩個旅（還有一個旅被調到廖耀湘兵團在遼西會戰中被消滅），駐紮在沈陽的西南部。五十三軍的起義軍官曾努力做過其中一個旅一些軍官的工作，希望能拉出一部分人參加起義，但沒有結果。東野總部首長曾專門下達了捉拿該師師長戴樸的命令：“二○七師師長戴樸極端反動，已令其部屬焚燒物資，望各部注意清查逮捕，以便戰後依法處辦。”但戴樸已在混亂中化裝逃跑，故而未能捉拿歸案。不過也由於戴樸已逃跑，所以該師在我軍的壓力下無法形成有效的反抗，10月31日下午，我十二縱和二縱在對沈陽進行包圍時，就在小郭莊與二○七師交了火。由於敵人事先製作了不少用3厘米厚鋼板焊成的“活動碉堡”，可以在裏麵推著走，猶如人力裝甲車一般，曾讓我先頭部隊遇到了阻力。第二天，我軍的大部隊到了，集中了18個炮連對敵人進行轟擊，然後衝到近處拚刺刀，在蘇家屯消滅了二○七師1.3萬餘人。與此同時，我一縱也在10月31日趕到沈陽，並在鐵西區與二○七師交手，攻破了敵人的防線，進入城內。二縱也從鐵西區向城中的縱深前進，在火車站附近的一座大樓內抓獲了二○七師新一旅旅長李莊一以下4200多人。11月2日，我軍獨立第十二師和十三師在東大營拿下了二○七師的最後一個據點，另一部分在喬家窩棚企圖以假投降來尋機逃跑，未能得逞，也被我軍殲滅。殲滅二○七師，是我軍解放沈陽過程中進行過的真正意義上的戰鬥。
我軍在解放沈陽的過程中，一共殲敵13萬多人，其中有將級軍官106人；繳獲了大量的武器與物資，其中有大炮1685門、機槍4811挺、步槍7萬多支、汽車841輛、坦克43輛、裝甲車114輛。這是我軍戰史上第一次在一次戰鬥中獲得如此多的軍用物資。我軍在沈陽還有一個極為重要的收獲，就是完整無缺地接管了當時中國最大的兵工廠沈陽兵工廠。沈陽兵工廠的中將廠長陳修和是陳毅的堂兄，為人正派，傾向進步，在他的艱苦努力之下，抵製了國民黨政府多次要他遷廠或炸廠的計劃，將設備8000台、職工1.2萬人的大兵工廠完整地保護了下來（該廠每月生產的槍支彈藥就可以裝備一個師），將大量的彈藥和設備交給了東北局，為支援全國的解放戰爭發揮了巨大作用。
三、五大書記會餐
沈陽的解放，標誌著全東北的解放，也標誌著遼沈決戰的結束。
曆時52天的遼沈決戰，我軍共消滅國民黨正規部隊的一個“剿匪”總司令部、一個指揮所、四個兵團司令部、11個軍部、33個整師；還消滅國民黨非正規部隊的一個警備司令部、三個省保安司令部、一個騎兵司令部、13個師，總共消滅敵軍47.2萬多人，其中生俘32.4萬人，俘虜中包括國民黨將級軍官180人。繳獲各種火炮4700門、飛機16架、坦克76輛、裝甲車151輛、汽車2000多輛、騾馬5600多匹、各種槍械10萬支以上。更何況在被我軍消滅的國民黨軍隊中，有不少都屬於蔣介石的精銳（按：當時國民黨軍隊內部的一致看法，在抗日戰爭中參加過遠征軍的美械裝備部隊，即視為蔣軍的精銳部隊。在東北解放戰爭戰場上，就有8個軍屬於這樣的精銳之師）。遼沈決戰是我軍有史以來所打的第一場大戰役，不僅大量消滅了敵人，也大量裝備了自己，為下一步全國的解放戰爭提供了可靠的保證。在這場決戰中，我軍也付出了不小的代價，共犧牲14010人，受傷53327人。
遼沈戰役之後，我軍在數量上第一次超過了國民黨軍隊。我軍這時的總兵力已經超過了300萬人，而國民黨軍隊的總兵力則下降到隻有294萬人。
11月2日，中共中央致電東北人民解放軍全體指戰員和全體東北同胞：
熱烈慶祝你們解放沈陽，全殲守敵，並從而完成解放東北全境的偉大勝利。東北是中國工業特別是重工業最大的中心，國民黨反動政府在美國帝國主義積極援助下，從1945年冬季以來就曾經用極大力量來搶占東北，先後投入兵力及收編偽軍胡匪共達110萬人。依靠我東北前後方全體軍民團結一致，英勇奮鬥，並得到我關內各解放區的勝利配合，在三年的奮戰中殲滅敵人100餘萬人，終於解放了東北九省的全部土地和3700萬同胞，粉碎了中美反動派奴役東北人民並利用東北以挑撥國際戰爭的迷夢，奠定了數年內解放全中國，然後將中國逐步建設為工業國家的鞏固基礎。中國共產黨中央委員會謹向東北軍民表示感謝與敬意。希望你們繼續努力，與關內人民和各地人民解放軍親密合作，並肩前進，為完全打倒國民黨反動派的統治，驅逐美國帝國主義在中國的侵略勢力，解放全中國而戰。
東北解放戰爭中犧牲的英雄們永垂不朽！
也就在這一天，在西柏坡，炊事員為五大書記做了一頓豐富的晚餐，餐桌上有毛澤東最愛吃的紅燒肉，有從滹沱河中抓來的魚，有戰士們打來的斑鳩，有米粉肉和酸菜炒肉絲，這是西柏坡罕見的盛宴。毛澤東、劉少奇、周恩來、朱德、任弼時這五位中共中央的主要領導人，興高采烈地慶祝東北的大勝利。毛澤東一邊拿筷子，一邊說：“東北告捷，蔣介石完蛋的日子就不遠了。”
12天以後，即11月14日，毛澤東在為新華社寫的評論《中國軍事形勢的重大變化》中這樣寫道：