10月17日，中共中央东北局就召开了临时全体会议，根据锦州解放和长春六十军起义后的东北战场形势，认为沈阳地区国民党军有“变为长春第二”的可能。因此提出加强“敌军工作委员会”的工作，加强对沈阳及其周围据点国民党军的政治争取工作。并且指示：辽宁、辽北、安东三省及中共地下党组织应“利用一切关系及办法瓦解敌军”。
防守沈阳的五十三军原是一支东北军部队，一向受蒋介石嫡系部队歧视和排挤，所部军官大多数是东北人，士兵也以东北人居多。国民党五十三军被调到东北战场后，中共中央东北局、东北军区即采取各种形式做该军将领工作。吕正操、于毅夫等以东北军旧僚身份给五十三军将领写信，劝其把握时机，率部起义。
1948年5月间“东总”将冬季攻势中俘虏的五十三军一一六师师长刘润川等军官释放回沈阳并托其携带吕正操的亲笔信给五十三军军、师长。信中规劝说：“东北沦陷，家乡涂炭，十几年来无人挽救。日寇降后方期重见天日，不料内战又荼毒生灵，是非进止，早在洞鉴。兄举足重轻，跷希以待。”敦促其认清形势早日站到人民这边来。
同时，中共中央东北局还派遣地下工作人员潜入五十三军内部进行策反工作。在人民解放军兵临城下，沈阳城破在即之时，五十三军各部及新一军暂编五十三师等部均有弃暗投明之心，并通过各种渠道与解放军接洽起义、投诚。
但是，负责沈阳防守总责的国民党八兵团司令官兼五十三军军长周福成却执迷不悟，决心与解放军作对到底。
青年军二○七师是一支国民党军“党化”部队，也拒绝放下武器，以期作最后挣扎。
东北野战军首长决心以军事打击迫使沈阳顽固派守军放下武器，彻底解放沈阳。
11月1日下达了总攻命令。
具体部署是：由二纵队司令员刘震、政治委员吴法宪统一指挥一、二纵队，从沈阳以西和西北面突破；由一兵团司令员萧劲光、政治委员萧华指挥独立一、三、四、十二、十三师，从东面和北面突破；十二纵队由南面突破。
11月1日拂晓，各攻城部队于20分钟内突破国民党守军第一线阵地。国民党新编一军暂编五十三师经解放军争取，与东北野战军独立二师取得联系，经中共辽北省委和辽北军区首长同意，在该师师长许赓扬率领下，于11月1日上午宣布起义，随即该师开到市郊新城子集结。
10时二纵队和十二纵队一部攻入国民党守军主要设防区铁西区，战至12时，东北解放军全部占领铁西区，歼二○七师一旅、暂编五十九师（由新三军逃往沈阳的残部编成）及装甲兵团8个连。一纵队于12时突破国民党二○七师阵地，俘敌8000余人。十二纵队主力于19时攻占城南机场，歼二○七师及守备总队各一部。由城东和城北突破之各独立师进占中央大街、联合总兵工厂、九一八仓库，控制小北边门及大、小东边门。在东北解放军强大的军事攻势打击和政治争取，以及沈阳市内一些民主人士宣传与鼓动的积极配合下。剩余国民党守军再也无心组织抵抗，整师整团向解放军请降。
在东北解放军攻城部队未到之处，国民党的守军建制部队也都或集结于大建筑物内等待，或派代表寻找解放军受降。国民党重炮十一团官兵将18门美式一五五榴弹炮完整无损地交给解放军时说：“这是国家的财产，现在我们把它交还国家。”
国民党汽车十一团全部车辆摆好队形，司机端坐车上，等待解放军接收。
国民党守备二总队司令秦祥征对前来接收的解放军说：“你们今天来缴也行，明天来缴也行，反正我们等着就是。”
国民党五十三军官兵，在副军长赵国屏及师长王理寰率领下宣布投诚。
发誓与沈阳共存亡的周福成被迫放弃指挥，躲入大西门里世合公银行。他于11月1日中午率国民党中将高参苏炳文等300余官兵从银行大楼出来投降。
最后唯有国民党青年军二○七师残部仍在个别据点负隅顽抗。
11月2日，东北野战军独立十二、十三师在东郊东大营将国民党二○七师一旅一部歼灭；二纵队六师在南郊乔家窝棚将企图突围的国民党二○七师二旅一部歼灭。
至11月2日16时，沈阳的国民党守军全部被歼，东北最大的工业城市沈阳宣告解放。
在解放沈阳的同时，第七、八、九纵队，在第九纵队司令员詹才芳、政治委员李中权指挥下，正日夜兼程急速前进。东北“剿总”为打通海上退路，趁野战军全神贯注于辽西鏖战之际，曾令其第五十二军于10月24日占领营口。廖耀湘兵团走台安受阻企图回退沈阳时，卫立煌也曾令第五十二军回返沈阳，但第五十二军顾虑北返途中被歼，并未执行。廖兵团被歼后，该军在营口急切催船，企图由海路逃走。10月28日，野战军为追歼该敌，第七、八纵队和独立第二师在辽中以西渡过辽河。31日相继解放辽阳、鞍山、海城等地，截断沈阳国民党军的退路，接着迅速向营口逼近。第九纵队则先期于26日由台安以南地区取捷径向营口疾进，10月31日进抵营口外围抢占周围要点。11月1日，第九纵队与独立第二师发现第五十二军有从海上逃走迹象，当即迅速插入市区。当日10时，市区国民党军即被全歼，正在混乱中，一艘国民党军运输舰，22艘军用商船企图逃走，当即被野战军炮火摧毁。仅第五十二军军部率1个师计万余人乘船逃离营口。野战军攻占营口，歼敌1.4万余人。历时52天的辽沈战役，以全歼国民党东北“剿总”卫立煌集团47.2万人而胜利结束。辽沈战役结束后，残留于锦西、葫芦岛的国民党军于11月9日在杜聿明指挥下经海路撤向关内。10日，野战军占领锦西、葫芦岛，歼国民党军后卫部队一部。12日又收复承德。东北全境和热河均获解放。
在辽沈战役期间，华北军区为配合东北野战军作战，遵照毛泽东和中央军委的指示，第二、第三兵团发动了察绥战役。9月上旬，华北野战军第二兵团首先向平古路南段和北平以北山区挺进，吸引傅作义集团3个军、10个师于自己周围。第三兵团和北岳军区部队则乘机向绥远进击。当傅作义紧急组成10个师的西进兵团驰援归绥（今呼和浩特）时，第二兵团又于9月向平古、平张铁路沿线发动攻势。当傅作义的西进兵团回返时，第三兵团则从10月12日开始向绥西、绥北横扫。傅作义集团被拖来拖去，疲于应付，无力向东北增援，为东北野战军全歼东北国民党军的作战创造了有利条件。
辽沈战役，是对解放战争的进程具有决定意义的三大战役中的第一个战役。东北野战军经过52天的连续作战，以伤亡6.9万人的代价，取得了歼敌1个“剿匪”总司令部、4个兵团部、11个军、33个整师、连同其地方部队共47.2万人，解放东北全境的伟大胜利。辽沈战役的胜利，加上这期间人民解放军在全国其他战场上取得的胜利，从1948年7月到11月，全国共歼灭国民党军100万人。这时，国民党军队下降到290万人；人民解放军增长到310万人，人民军队不但在质量上早已经占了优势，而且在数量上也占了优势。这样，就使中国的军事形势达到一个新的转折点，改变了长期以来敌强我弱、敌占优势我占劣势的基本格局。由于辽沈战役的胜利，近百万东北野战军成了全国战局中一支强大的战略预备队，它可以投入关内其他战场，以加速革命战争的胜利。
11月14日，毛泽东在《中国军事形势的重大变化》一文中指出：“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。”