東北野戰軍領導人決定集中5個軍共22個師，連同特種兵總計34萬人，附重炮538門、坦克30輛，以絕對優勢的兵力和兵器奪取天津。1949年1月2日，各攻擊部隊進至天津周圍，至13日基本肅清了外圍據點。在此期間，指揮奪取天津的東北野戰軍參謀長劉亞樓敦促陳長捷仿效長春的鄭洞國率部放下武器，可保證其生命財產的安全。但陳長捷拒不接受這一解決辦法。
東北野戰軍根據天津國民黨軍在部署上北部兵力強、南部工事堅固、中部兵力和工事均不很強的情況，以及天津地形南北長、東西窄的特點，決定采取東西對進、攔腰斬斷、先分割後圍殲的作戰方針，發起天津戰役。其部署是：以第38、第39軍為西集團，從和平門兩側由西向東實施主要突擊；以第44、第45軍為東集團，從民權門兩側由東向西實施主要突擊；以第46軍附第49軍第145師，從前後尖山由南向北實施助攻；以第39、第45軍各一部及東北野戰軍司令部警衛團從北麵實施佯攻；以第43軍第128師為預備隊。另以第49軍主力位於軍糧城，監視塘沽守軍。1月14日10時，對天津發起總攻，各部隊迅速在東西南三麵9個地段突破城防，15日晨東西主攻集團於金湯橋會師，將守軍分割成數塊。爾後采取擊弱留強，先吃肉後啃骨頭的戰法，經過激烈戰鬥，至15時全殲守軍，俘陳長捷，解放天津。
天津解放後，據守塘沽的國民黨軍第17兵團部及第87軍等部5個師共5萬餘人，於1月17日乘船南逃。東北野戰軍第49軍追殲其後尾3000人。
傅作義率北平守軍接受改編，北平和平解放。新保安、張家口、天津相繼解放後，駐北平的國民黨軍華北“剿匪”總司令部，第4、第9兵團部及第13、第16、第31、第92、第94、第101軍和重建的第35、第104軍等部，共8個軍25個師，連同特種兵和非正規軍總計25萬人，陷於絕境。中共中央軍委鑒於北平是馳名世界的文化古城，為保護文化古跡和200萬人民的生命財產，決定爭取通過談判和平接管，同時命令部隊準備在談判不成時以戰鬥方式奪取之。
傅作義在抗日戰爭時期主張抗日，並和共產黨有過友好往來。雖在內戰中執行蔣介石的“戡亂”反共政策，但隨著國民黨軍的不斷失敗，逐步對蔣介石的統治失去信心。平津戰役發起後，北平迅速被人民解放軍包圍。在這種情況下，傅作義於1948年12月15日派代表到人民解放軍平津前線司令部進行談判。平津前線司令部參謀長劉亞樓表示，希望傅作義集團自動放下武器，人民解放軍可保證其生命財產的安全。但傅作義認為尚有實力，可再堅持3個月，觀望全國形勢的變化，以致談判未獲結果。
新保安、張家口解放後，傅作義於1949年1月7日派代表偕同民主同盟北平負責人、燕京大學教授張東蓀到平津前線司令部進行第二次談判。林彪、聶榮臻向其指出：北平、天津、塘沽、歸綏各點守軍應開出城外，按照人民解放軍的製度進行改編；並限天津守軍於13日前先行開出城外聽候改編。但由於傅作義仍持觀望態度，也未能達成協議。
1月13日，傅作義派與中共素有交往的華北“剿總”副總司令鄧寶珊到平津前線司令部進行第三次談判。在14日的談判中，林彪、羅榮桓、聶榮臻向其指出：人民解放軍已開始攻擊天津，故此次談判不再包括天津；其他各點守軍出城後，應一律解放軍化，其駐地一律解放區化。在此期間，淮海戰役於1月10日以人民解放軍的勝利而告結束，國民黨當局敗局已定。毛澤東於1月14日發表《關於時局的聲明》，提出與國民黨政府及其地方政府和軍事集團進行談判的“八項條件”；林彪、羅榮桓於1月16日致函傅作義，敦促其當機立斷，接受“八項條件”，站到人民方麵來，不要再拖延；中共北平地下組織通過民主人士及傅係內部開明人士亦作了有力的促進工作。與此同時，國民黨當局以恫嚇、暗殺、封官許願等手段極力阻撓和破壞傅作義的和談行動；蔣介石還派次子蔣緯國攜其親筆信到北平，要傅作義堅守北平或南撤。在此關鍵時刻，傅作義終於選擇了和平道路，於21日與平津前線司令部達成和平解決北平問題的協議。22一31日，駐北平的國民黨軍撤出城外，聽候改編為人民解放軍。1月31日，人民解放軍在人民歡呼聲中開入北平城內進行接管。至此，北平和平解放，平津戰役結束。
北平的和平解放，創造了將國民黨軍和平改編為人民解放軍的“北平方式”，成為執行毛澤東提出的以“八項條件”解決國民黨軍的第一個榜樣。爭取了大批國民黨軍高級將領和建製部隊站到人民方麵來，是中共中央戰略指導的一大成功。