中共中央對戰爭的形勢做了科學的分析，決戰的方向首先指向東北戰場。東北戰場解放軍主力有70萬人，國民黨軍衛立煌集團共有55萬人（其中正規軍48萬人）分別收縮在長春、沈陽和錦州3個孤立的地區。中共中央和毛澤東從全國戰局出發，為遼沈戰役製定了主力部隊南下北寧線（今京沈鐵路），攻克錦州，封閉國民黨在東北，“關門打狗”的戰略方針。1948年9月12日，東北野戰軍先頭部隊到達北寧線，會同南線部隊，開始包圍綏中、光城、義縣，遼沈戰役正式打響。10月1日，全殲義縣、興城、綏中之敵，主力部隊包圍錦州。蔣介石急忙從華北、山東海運來7個師，加上錦西、葫蘆島守敵4個師，組成東進兵團，10月10日，攻打解放軍的塔山陣地。
解放軍阻擊部隊經過6晝夜的浴血奮戰，勝利完成了塔山阻擊戰的任務；蔣介石又急令駐沈陽的廖耀湘第九兵團11個師及3個旅兵力，組成西進兵團，馳援錦州，被阻擊於黑山、大虎山地區不得前進。14日，東北野戰軍對錦州發起總攻，激戰31小時，全殲守敵，俘東北“剿總”副司令範漢傑、第六兵團司令盧浚泉以下10萬餘人。17日，被圍困在長春的國民黨六十軍的26萬人，在軍長曾澤生率領下起義：19日，東北“剿總”副司令鄭洞國率領其餘守軍投誠，長春宣告解放，遼沈戰役第一階段結束。東北野戰軍攻克錦州後，回師北上，於10月26日，在黑山、大虎山、新民等地包圍了廖耀湘兵團，激戰2天1夜，全殲國民黨軍10萬餘人，俘兵團司令廖耀湘、軍長李濤、白鳳武、鄭廷笈等。遼沈戰役第二階段結束。東北野戰軍乘勝前進，於11月2日，解放沈陽，第八兵團司令周福成被迫投降，國民黨軍249萬餘人被殲。營口52軍殘敵1萬餘人入海逃跑，11月2日，解放營口，遼沈戰役第三階段勝利結束。
遼沈戰役前後曆時52天，殲敵47萬餘人，解放了東北全境，並取得了大規模殲敵的經驗；獲得了具有一定工農業基礎的大後方；為解放華北、全中國準備了條件。遼沈戰役的勝利，使人民解放軍的發展進入了一個新的轉折點。為了適應戰略決戰的形勢，1948年11月1日，中共中央軍委根據“九月會議”的決定，把原各大戰略區的部隊劃分為野戰部隊、地方部隊和遊擊隊3類。隨後，西北、中原、華東、東北野戰軍，分別改為第一、第二、第三、第四野戰軍，華北野戰軍直屬總部。