遼沈戰役分為三個作戰階段：

第一階段(9月12日至10月19日)，攻克錦州，和平解放長春。1948年9月12日，遼沈戰役開始。東北野戰軍在遼寧省義縣至河北省灤縣300余公里戰線上向國民黨軍發起進攻。至10月1日，切斷了北寧路，孤立了錦州。

蔣介石為解錦州之危，組成東進和西進兵團，從錦西、葫蘆島和沈陽地區東西對進，增援錦州。東北野戰軍根據中央軍委關于迅速攻取錦州的指示，確定了攻錦打援的整個兵力部署：以2個縱隊另2個獨立師位塔山地區，阻擊東進兵團；以6個縱隊共16個師計25萬人攻擊錦州；以1個縱隊主力為戰役總預備隊；以4個縱隊共14個師位彰武、新立屯地區，阻擊西進兵團；以11個獨立師、1個騎兵師圍困長春。10月14日，攻錦集團發起總攻。經31小時激戰，于15日攻克錦州，全殲守軍10萬余人，俘范漢杰及第6兵團司令官盧浚泉等，完全封閉了東北國民黨軍從陸上撤向關內的大門。在錦州攻堅戰的同時，南北兩線阻援部隊分別采取堅守防御和運動防御，粉碎了國民黨軍東進兵團和西進兵團增援錦州的圖謀。在南線堅守核心陣地塔山的第4縱隊第12師第34團，以“人在陣地在”的英雄氣概，面對十倍于己的敵人陸海空立體進攻，鏖戰6晝夜，殲敵6000余人，創造了野戰陣地堅守防御的光輝范例。戰后，該團被授予“塔山英雄團”的榮譽稱號。

錦州被克后，困守長春的國民黨軍第60軍軍長曾澤生，在東北野戰軍強大的軍事壓力和政治爭取下，于10月17日率所部2.6萬余人起義。21日，長春宣告和平解放。

第二階段(10月20日至28日)，遼西會戰，圍殲西進兵團。10月18日，蔣介石飛赴沈陽部署“總退卻”，嚴令西進兵團繼續前進，在東進兵團配合下重占錦州。19日，東北野戰軍領導人決定采取誘敵深入打大殲滅戰的方針，在遼西地區圍殲西進兵團。東北野戰軍10個縱隊在黑山、大虎山以東，饒陽河以西，無梁殿以南，魏家窩棚以北約120平方公里的地區內，對西進兵團展開大規模圍殲戰，各部大膽穿插，分割圍殲。至28日拂曉，遼西圍殲戰。

第三階段(10月29日至11月2日)，攻占沈陽、營口，解放東北全境。從10月29日起，東北野戰軍乘勝東進，先后解放新民、撫順、遼陽、鞍山、海城等沈陽外圍據點。11月2日，東北最大的重工業城市沈陽宣告解放，守軍13萬余人全部被殲。同日，解放營口。遼沈戰役勝利結束。9日，錦西、葫蘆島地區之敵從海上撤至關內。至此，東北全境解放。

遼沈戰役歷時52天，殲滅東北“剿總”及所屬4個兵團部、11個軍部、36個整師及地方部隊計47.2萬人，俘國民黨軍少將以上軍官186名。東北野戰軍傷亡6.9萬余人，炮兵司令員朱瑞在戰役中犧牲。遼沈戰役的勝利，使東北野戰軍成為一支強大的戰略機動力量，東北解放區成為鞏固的戰略后方。連同這一時期全國其他戰場上的勝利，使中國軍事形勢出現新的轉折，人民解放軍不但在質量上早已占有優勢，而且在數量上現在也已占有優勢，這是中國革命的成功已經迫近的標志。毛澤東指出：“原來預計，從一九四六年七月起，大約需要五年左右時間，便可能從根本上打倒國民黨反動政府。現在看來，只需從現時起，再有一年左右的時間，就可能將國民黨反動政府從根本上打倒了。”