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毛澤東接電後不同意此方案，乃於15日回電說：“目前山海關作戰並非真麵目戰鬥。我黃梁兩部42000人遠道新到，官兵疲勞，地形不熟，目前開至義院口、駐操營，必無好仗可打，即使殲敵一部，不過戰術勝利，而兵力暴露，不得休整，勢將處於被動。為避免此種缺陷，謹慎使用兵力，求於將來決戰時一戰解決問題，應令李運昌、楊國夫兩部堅持山海關、綏中之線，節節抗擊，消耗疲憊敵人，而令黃梁兩部從冷口、界嶺口分路隱蔽開至錦州、錦西、興城三角地區，處於內線，休整部隊，消除疲勞，補充槍彈，熟悉地理民情，創造戰場，演習夜戰，俟敵進至綏中地區或興城地區業已疲勞消耗至相當程度，我則可集中最大兵力，計黃克誠3.5萬、梁興初7000、楊國夫7000、李運昌、沙克在盤山、錦州至山海關一帶至少2萬（新部隊可以參戰作為輔助兵力），共約7萬人，於最有利之時機地點，由林彪或羅榮桓親去指揮，舉行反攻，分作幾處戰鬥，每次殲其兩三個師，最後全部殲滅三個軍，即能從戰略上解決問題。”
毛澤東此時的想法仍是“獨霸東北”，他與林彪的不同之點是不死守山海關，主張將蔣軍放進內線，尋機殲滅之。但二人都沒料到局勢發展變化如此之快。不幸的是毛澤東病倒了，從11月16日到12月15日，整整一個月沒有起草一份電報。
11月15日拂曉，杜聿明指揮第十三、第五十二軍3萬餘人，在飛機、大炮掩護下，向山海關發起大規模攻勢。杜聿明用兵擅長出奇製勝，以一部兵力正麵進攻，而以主力實施左翼迂回，企圖將守山海關之共軍壓至渤海之濱而殲滅。當日下午1時，杜聿明親自督率第十三軍第八十九師占領山海關西北長城九門口要塞。第五十二軍第二十五師也於當晚攻進義院口。
16日拂曉，占領九門口和義院口的蔣軍，按計劃向東迂回，以截斷八路軍山海關守軍北撤之路。杜聿明乘吉普車隨第十三軍軍部行動，他很得意自己的軍事計劃。參謀長趙家驤提醒說：“長官的計劃雖然嚴密，但部隊執行起來恐怕會打折扣，第十三軍這樣的部隊必須緊盯後腦勺，並不時踹他們的屁股才行。”杜聿明同意趙的看法，他知道能否一舉將共軍兜進弧形包圍圈予以殲滅，關鍵在第二十師和第五十四師的迂回能否迅速截斷山海關北麵的鐵路，因此頗不放心，親臨前線督戰。上午7時，杜聿明發現擔任右翼主攻的第四師仍在原地未動，他找來軍長石覺很生氣地說：“進攻時間過了兩個多小時，第四師為什麼還在原地？”石覺回答：“杜長官，共軍頑強得很，打到現在陣地毫不動搖。”杜聿明穿過炮兵陣地舉起望遠鏡，發現山海關以南的八路軍陣地僅有少數機槍掩體，並無炮火射擊；於是命令第四師督促第一線部隊前進。第四師一位團長為難地說：“共軍機槍陣地還沒有摧毀呀！”杜聿明立即叫來炮兵指揮官說：“你準備好炮火，隨時聽令。”又對團長說：“你率部搶渡沙河，立即發起衝鋒，我負責火力掩護。”那位團長隻好硬著頭皮率部徒涉冰冷的沙河，對方僅有零星槍聲，根本沒遇到強力抵抗，原來八路軍主力早已撤退。
杜聿明不想讓駐守山海關的共軍跑掉，於是對石覺說：“石軍長，趕快下令各師追擊，與迂回部隊會師圍殲共軍。”到下午4時，杜聿明對石覺說：“我估計追擊部隊與迂回部隊已在山海關以東10公裏處會師了。”石覺回答：“尚未接到報告。”於是杜聿明決定繼續乘吉普車向北巡視戰況，奇怪的是走了幾十公裏仍未發現第十三軍的部隊。行至三裏堡附近，才發現第五十四師一個連正在公路邊準備宿營。吉普車停下，一位連長跑來舉手行禮。杜聿明問：“你們在這裏幹什麼？為什麼不追擊？”連長回答：“報告長官，今天中午我們在這裏繳了共軍幾十支槍，附近幾個村落都有共軍，他們當時正在撤退。我報告團長要求前進，團長說奉師長命令就在這裏警戒待命。”杜聿明問：“你們團長、師長在什麼地方？”連長說：“團部離這裏大約3裏路，師部還在九門口，離這裏有幾十裏。”杜聿明又問：“你看到第四師和第八十九師的部隊沒有？”連長答：“報告長官，這裏隻有我一個連，沒看到其他部隊。”杜聿明聽後惱怒異常，便對趙家驤說：“石覺、史鬆泉未照我的命令執行，新月形包圍圈未合攏，共軍全溜了。”趙家驤展開地圖指點說：“現在隻有第二十五師孤軍冒進，有被共軍吃掉的危險。”杜、趙二人隻好返回秦皇島，當晚接到第二十五師報告：守山海關共軍主力已於當天上午經北寧路向綏中方向撤退。杜聿明覺得未經決戰便拿下山海關，已完成了蔣介石的任務，故決心以現有兩個軍的兵力繼續北進，以擴大戰果。
17日清晨6時，各部奉令出發。為督促此次行動，杜聿明在山海關東北10公裏處，召集第十三軍連以上軍官訓話。首先詢問第四師昨天追擊的情況，都回答按期攻占了共軍陣地，繳獲了一些武器。杜聿明質問：“為什麼不乘勝追擊？”軍官們都看看軍長石覺，無人敢答話。而石覺背著手，若無其事地說：“共軍早已脫離戰場，恐怕追不上，所以未令各師追擊。”杜聿明見石覺自負的模樣真是生了氣，便將昨天遇到的那位連長叫出隊列說：“你講一講你連在三裏堡一帶的情況。”連長說：“我連昨天中午進軍三裏堡附近，繳了共軍幾十支槍，當時附近村莊有許多共軍，我連兵力單薄未敢進攻，後來他們就全撤走啦！”杜聿明不滿地掃了石覺一眼，本想當眾訓斥第五十四師未按計劃到達指定地點，並指責第十三軍各師未執行追擊命令；可是責任在軍長石覺，他不能當著眾多部下的麵訓斥軍長，隻好強壓怒火，當眾表揚了那位連長，作了簡單動員，即下令用車送軍官們追趕行軍部隊。