南滿的敵軍在攻占本溪後，廖耀湘的新六軍等部被杜聿明調到四平前線，新一軍軍長孫立人從國外回到了軍中，加上陳明仁的七十一軍，國民黨軍隊的三支主力軍一齊壓向四平。
新一軍和新六軍同屬於國民黨軍隊中的五大主力之一，而且是一對孿生的難兄難弟。新一軍1943年1月成立於抗日戰爭時期，第一任軍長是鄭洞國，下麵兩個師長是孫立人和廖耀湘。這是國民黨軍隊中第一個全部美式裝備的軍。這支部隊在印度蘭姆伽成立後接受了嚴格的美式訓練，又增加了大批青年學生。這兩支部隊遂成為東北地區國民黨軍隊的支柱。這時，同時向四平展開了進攻。
由於敵軍三個主力軍一齊向我壓了上來，而且其中有兩個國民黨軍隊的王牌軍，戰鬥力很強，我軍的防線不得不拉長，兩翼長達100多公裏，形勢對我明顯不利。林彪曾將守四平的各種困難如實向中央報告，黃克誠更是明確向中央建議放棄四平和長春，用以保存實力，以求再戰。但中央從全局出發，仍要求林彪在四平死守，因為從全局來說，“四平街保衛戰支持的時間愈長愈有利”。
當杜聿明把他在東北的主力基本上都集中到四平之後，從5月14日開始以10個師的兵力再度向我軍發起了進攻。這時雙方的對陣形勢是：
黃克誠的三師和梁興初的一師對付西邊的敵七十一軍，新從南滿調來增援的程世才的三縱和三五九旅對付東邊的新六軍，楊國夫的七師和彭明治的七旅對付正麵的新一軍，萬毅的一縱增援製高點塔子山。15日，三個方向同時進行激戰。在三道林子北山陣地上，新一軍在飛機、重炮的支持下向我軍進攻，北山陣地高不過20米，寬不到100米，可是平均每分鍾都要承受100多發重炮炮彈和幾十枚重磅炸彈的狂轟濫炸，整個陣地完全成了一片火海和血山。新六軍用部分兵力和我作戰，同時用600輛大卡車運送部隊繞路向前衝，再用飛機掩護，突破了我三縱的防線，然後會同新一軍猛攻四平的製高點塔子山。我守塔子山的七縱和火速增援七縱的三師十旅的指戰員打到18日，傷亡殆盡，塔子山終於失守。塔子山一失守，四平就完全暴露在敵人的炮火之下，更重要的是，我軍有被敵人切斷後路的危險。林彪在無法等待中央批準的情況下，下令全軍撤出四平。19日，敵軍進入四平。
四平之戰，是我軍進入東北後打的第一次大仗，我軍共投入了8萬人馬，結果並未保住四平，雖然消滅了敵人1萬多人，但是自己的主力部隊傷亡達8000人以上，有的師、旅基本上失去了戰鬥力。這一仗，打擊了敵人的囂張氣焰，阻滯了敵人的北進，在當時，對鞏固北滿根據地起了重要作用，所以，中共中央在給東北民主聯軍總部的電報中說：
“四平我軍堅守1個月，抗擊敵軍10個師，表現了人民軍隊高度頑強英勇精神，這一鬥爭是有曆史意義的。”
對於這個大仗在當時該不該打，如果要打又應當如何打，無論在當時還是在以後，我軍的高級領導人都有著不同的意見。當時東北局的結論認為：“防禦戰不是消滅敵人的有效手段，在當時的情況下是不宜采取大規模的防禦戰。四平保衛戰是由於對時局估計的錯誤而形成的，以為守住了四平就能獲得和平。這種作戰按當時一般條件是不甚適宜的。”幾十年之後，親身參加了這一戰役的韓先楚上將在他的回憶錄中是這樣認為的：
四平保衛戰，是在特定曆史條件下形成了城市防禦戰，是我軍進入東北後，領導層對和戰問題看法不一、掌握不定的集中反映。在我軍處於劣勢情況下，過多地看重了一城一地的得失，與敵進行不利條件下的作戰，在戰略上是失策的。不過，經過四平保衛戰和大撤退的反麵教育，徹底消除了和平幻想，對東北全黨全軍在和戰問題、根據地建設問題上統一思想，產生了積極影響。