中共中央对战争的形势做了科学的分析，决战的方向首先指向东北战场。东北战场解放军主力有70万人，国民党军卫立煌集团共有55万人(其中正规军48万人)分别收缩在长春、沈阳和锦州3个孤立的地区。中共中央和毛泽东从全国战局出发，为辽沈战役制定了主力部队南下北宁线(今京沈铁路)，攻克锦州，封闭国民党在东北，“关门打狗”的战略方针。1948年9月12日，东北野战军先头部队到达北宁线，会同南线部队，开始包围绥中、光城、义县，辽沈战役正式打响。10月1日，全歼义县、兴城、绥中之敌，主力部队包围锦州。蒋介石急忙从华北、山东海运来7个师，加上锦西、葫芦岛守敌4个师，组成东进兵团，10月10日，攻打解放军的塔山阵地。
解放军阻击部队经过6昼夜的浴血奋战，胜利完成了塔山阻击战的任务；蒋介石又急令驻沈阳的廖耀湘第九兵团11个师及3个旅兵力，组成西进兵团，驰援锦州，被阻击于黑山、大虎山地区不得前进。14日，东北野战军对锦州发起总攻，激战31小时，全歼守敌，俘东北“剿总”副司令范汉杰、第六兵团司令卢浚泉以下10万余人。17日，被围困在长春的国民党六十军的2.6万人，在军长曾泽生率领下起义：19日，东北“剿总”副司令郑洞国率领其余守军投诚，长春宣告解放，辽沈战役第一阶段结束。东北野战军攻克锦州后，回师北上，于10月26日，在黑山、大虎山、新民等地包围了廖耀湘兵团，激战2天1夜，全歼国民党军10万余人，俘兵团司令廖耀湘、军长李涛、白凤武、郑廷笈等。辽沈战役第二阶段结束。东北野战军乘胜前进，于11月2日，解放沈阳，第八兵团司令周福成被迫投降，国民党军24.9万余人被歼。营口52军残敌1万余人入海逃跑，11月2日，解放营口，辽沈战役第三阶段胜利结束。
辽沈战役前后历时52天，歼敌47万余人，解放了东北全境，并取得了大规模歼敌的经验；获得了具有一定工农业基础的大后方；为解放华北、全中国准备了条件。辽沈战役的胜利，使人民解放军的发展进入了一个新的转折点。为了适应战略决战的形势，1948年11月1日，中共中央军委根据“九月会议”的决定，把原各大战略区的部队划分为野战部队、地方部队和游击队3类。随后，西北、中原、华东、东北野战军，分别改为第一、第二、第三、第四野战军，华北野战军直属总部。