辽沈战役分为三个作战阶段:
第一阶段(9月12日至10月19日),攻克锦州,和平解放长春。1948年9月12日,辽沈战役开始。东北野战军在辽宁省义县至河北省滦县300余公里战线上向国民党军发起进攻。至10月1日,切断了北宁路,孤立了锦州。
蒋介石为解锦州之危,组成东进和西进兵团,从锦西、葫芦岛和沈阳地区东西对进,增援锦州。东北野战军根据中央军委关于迅速攻取锦州的指示,确定了攻锦打援的整个兵力部署:以2个纵队另2个独立师位塔山地区,阻击东进兵团;以6个纵队共16个师计25万人攻击锦州;以1个纵队主力为战役总预备队;以4个纵队共14个师位彰武、新立屯地区,阻击西进兵团;以11个独立师、1个骑兵师围困长春。10月14日,攻锦集团发起总攻。经31小时激战,于15日攻克锦州,全歼守军10万余人,俘范汉杰及第6兵团司令官卢浚泉等,完全封闭了东北国民党军从陆上撤向关内的大门。在锦州攻坚战的同时,南北两线阻援部队分别采取坚守防御和运动防御,粉碎了国民党军东进兵团和西进兵团增援锦州的图谋。在南线坚守核心阵地塔山的第4纵队第12师第34团,以“人在阵地在”的英雄气概,面对十倍于己的敌人陆海空立体进攻,鏖战6昼夜,歼敌6000余人,创造了野战阵地坚守防御的光辉范例。战后,该团被授予“塔山英雄团”的荣誉称号。
锦州被克后,困守长春的国民党军第60军军长曾泽生,在东北野战军强大的军事压力和政治争取下,于10月17日率所部2.6万余人起义。21日,长春宣告和平解放。
第二阶段(10月20日至28日),辽西会战,围歼西进兵团。10月18日,蒋介石飞赴沈阳部署“总退却”,严令西进兵团继续前进,在东进兵团配合下重占锦州。19日,东北野战军领导人决定采取诱敌深入打大歼灭战的方针,在辽西地区围歼西进兵团。东北野战军10个纵队在黑山、大虎山以东,饶阳河以西,无梁殿以南,魏家窝棚以北约120平方公里的地区内,对西进兵团展开大规模围歼战,各部大胆穿插,分割围歼。至28日拂晓,辽西围歼战。
第三阶段(10月29日至11月2日),攻占沈阳、营口,解放东北全境。从10月29日起,东北野战军乘胜东进,先后解放新民、抚顺、辽阳、鞍山、海城等沈阳外围据点。11月2日,东北最大的重工业城市沈阳宣告解放,守军13万余人全部被歼。同日,解放营口。辽沈战役胜利结束。9日,锦西、葫芦岛地区之敌从海上撤至关内。至此,东北全境解放。
辽沈战役历时52天,歼灭东北“剿总”及所属4个兵团部、11个军部、36个整师及地方部队计47.2万人,俘国民党军少将以上军官186名。东北野战军伤亡6.9万余人,炮兵司令员朱瑞在战役中牺牲。辽沈战役的胜利,使东北野战军成为一支强大的战略机动力量,东北解放区成为巩固的战略后方。连同这一时期全国其他战场上的胜利,使中国军事形势出现新的转折,人民解放军不但在质量上早已占有优势,而且在数量上现在也已占有优势,这是中国革命的成功已经迫近的标志。毛泽东指出:“原来预计,从一九四六年七月起,大约需要五年左右时间,便可能从根本上打倒国民党反动政府。现在看来,只需从现时起,再有一年左右的时间,就可能将国民党反动政府从根本上打倒了。”