七月十七日，南滿盤錦被解放軍解放，七月十八日，裝甲第六師這支鋼鐵洪流開始滾滾殺向日日軍南滿戰略重鎮沈陽。
沈陽是日軍南滿的大本營，當前有關東軍第四軍三個師團近十萬人把守，不過，在經過解放軍空軍這幾天連續轟炸後，沈陽日軍防線，也顯得有些鬆動了。
等到七月十八日裝甲第六師趕到沈陽南郊時，第五四集團軍主力部隊也用強行軍的速度，從十五日開始連續三天趕了四百多裏路，終於和裝甲第六師同時趕到了沈陽外圍。
對於攻擊沈陽這樣重兵把守的大城市，當然不能象攻擊錦州那樣輕舉妄動。因此，在攻擊開始前，張學良特地找來了裝甲第六師師長何東華，在和何東華反複研究後，決定對沈陽實行中間開化四周突破的戰術。
利用裝甲第六師用強大的攻擊力，在解放軍空軍配合下，一舉突破進日軍重兵把守的沈陽城，並且殺入沈陽中心地區，隨後，裝甲部隊四散突擊，用九萬多解放軍強攻十萬日軍。
對於這個打法，張學良實在是有些冒險的，原本，按照當初的作戰構想，第四集團軍在一路攻占錦州盤錦後，排一部分部隊進占遼東的營口鞍山等地，主力部隊和第五三集團軍在沈陽會師，雙方合圍沈陽，然後在裝甲第六師的配合下，大軍進攻沈陽。
可是這幾天以來，張學良在看到裝甲第六師如此強勁的突擊力量麵前。日軍幾乎變得不堪一擊，因此張學良也就心動了起來，若是能夠又第五四集團軍獨自占領沈陽，老東北軍也算是一洗當然，幾乎沒放一槍一炮，就撤退入關內的欺辱了。
因此張學良才製定出這個中央突破用少於敵人的解放軍部隊強行攻城的決定。
對自己部隊有這絕對信心的何東華對張學良提出的方案當然無所謂。因此從十九日開始，在經過裝甲第六師連續兩天的外圍定點清掃以後，在重炮和主戰坦克的炮火轟擊下，沈陽城牆坍塌了一大塊，主戰坦克順著這個決口開始如同潮水般殺進了沈陽城，隨後跟上的第五四集團軍戰士，迅速擴大的戰果，打開了一條前進通道。
從總攻開始後一天不到，裝甲第六師已經突破到了沈陽的中心地帶，隨即第五四集團軍主力部隊也開始殺到了沈陽城的中心，這個時候，日軍近十萬人，在空軍的地毯式轟炸，加上裝甲第六師肆無忌憚的屠殺下，已經剩下不到七萬人，還被切割在沈陽城的不同方向。
隨著裝甲第六師開始分散城的多股，在沈陽城內橫衝直撞，掃蕩日本鬼子的時候。第五四集團軍的將士們更是拿出了最英勇的氣概，端著最先進的武器，將複仇的子彈射向了已經張皇失措的日本鬼子。
解放軍對東北動攻擊打的太過突然，尤其在短短的十幾天時間內，戰線已經由山海關一線，推進到沈陽一線，這是當時所有人都沒法想像的，在戰爭開始後，匆忙從長春趕到南滿沈陽指揮作戰的關東軍司令梅津美治郎大將在我大軍突入沈陽前夕，不得不在部下的死命保護下，匆忙逃會長春。
開始布置長春一線的防禦部署，因為梅津美治郎從解放軍開始攻擊沈陽的時候就知道，吉林以南地區已經不再屬於日本關東軍所有了。
此次負責率領第五四集團軍主力突襲沈陽的是已經升任第五四集團軍副軍長的王以哲將軍。
第五四集團軍直屬部隊以及第五四二師師長於學忠部、第五四三師周福成部在王以哲親自指揮下，真正殺進沈陽的時候，一個個都變得如同憤怒的獅子，那裏會給日軍多少抵抗機會。
丟失東北這麼多年的恥辱使得這批東北老兵出生的部隊變得瘋狂起來，所有的將士根本不知道死為何物，從師長一下軍官全部下到一線帶兵，恨不得將眼前的這些日本侵略者撕得粉碎。
在裝甲第六師的鋼鐵洪流突襲下，在第五四集團軍的瘋狂狀態下，日軍駐沈陽的關東軍第第四軍隻不過勉強抵抗了四天時間，就全線崩潰了。
從七月二十四日開始，已經傷亡過半的日軍關東軍第四軍開始向吉林方向潰退，可是，到了這個時候，第五四集團軍那裏能夠放這支殘軍逃脫。
原本擔任殿後的第第五四四師吳克仁部早就接到張學良命令，從戰役發起開始就星夜兼程直插沈陽以北的鐵嶺一帶。
老東北軍知道這次是回家打鬼子，根本就不需要動員，大軍提前於七月二十一日就趕到了鐵嶺，在用強大的火力幹掉了日軍駐紮鐵嶺的一個聯隊三千多人後，吳克仁師長立即指揮第五四四師開始在鐵嶺南線一帶有利地形構築防禦陣地，專門等待小日本殘軍的到來呢。
當日軍從二十四日開始潰退到鐵嶺一帶後，立即遭遇了我第五四四師的堅決阻擊，等到已經被打散了部隊，打亂的陣腳的殘軍試圖另外尋找突破方向時，他們已經失去了最後的時間。
裝甲第六師，從身後隆隆殺到，第五四集團軍主力六萬多人也分三路向這部分日軍氣勢洶洶地殺來，此時的日軍，已經由當初的十萬大軍，變成不到六萬殘軍，那裏是裝甲第六師和第五四集團軍的對手，加上天空中還有解放軍強大空軍進行陣地前密集轟炸。
到了二十九日，日軍關東軍第四軍十萬大軍被全部殲滅。第四軍司令磯穀廉介中將剖腹自殺，日軍三萬多人被俘。第五四集團軍出兵沈陽取得輝煌戰績。
就在同一時間內，第五野戰軍司令陳賡調整了原先的部署，第五三集團軍及時改變了合圍沈陽的作戰部署，大軍在順利攻取朝陽以後，開始兵分兩路，第五三集團軍軍長宋哲元率領第五三集團軍直屬部隊、第五三一師馮治安部、第五三三師趙登禹部、第五三四師何基灃部七萬人直插長春，第五三集團軍副軍長佟麟閣負責和第五三二師張自忠部兵取阜新，通遼兩座東北重鎮。