在不到一個月的時間內，國民黨在東北的兩個主力集團已經被我東北野戰軍盡數殲滅，餘下的瀋陽守敵、遼西兵團都是四面楚歌，無路可逃。就在這種情況下，被解放軍打得失魂落魄的蔣介石居然又出「奇著」，致使東北更加迅速地為我解放。
10月18日，蔣介石再度飛到瀋陽，召集東北國民黨高級軍官開會。他認為我軍在攻下錦州後，主力已向北票、阜新等地撤退，正是他奪回錦州的好時候，因此命令廖耀湘率第九兵團繼續西進，與葫蘆島的「東進兵團」合擊錦州，妄想打開東北大門，死裡逃生。衛立煌、杜聿明、廖耀湘都不同意這個方案，衛立煌主張把遼西兵團撤回瀋陽死守，杜、廖二人主張從營口全線撤退。雙方爭執不下，沒有討論出什麼結果。
10月19日，蔣介石要求杜聿明、衛立煌到北平議事。會議開了4個小時，衛立煌仍然不買蔣介石的帳，杜聿明和其他一些大員也沒有附和他，蔣介石氣得頭脹眼紅從沙發上跳起來，拍桌子瞪眼，把衛立煌罵得狗血噴頭。衛立煌閉口不言，用沉默來表示抗議。蔣介石又氣又恨，決定用杜聿明取代衛立煌，但杜聿明早就在東北吃過大虧，現在東北敗勢已定，誰沾上誰倒霉，因此十分不情願。
經過討價還價，杜聿明不得不同意擔任衛立煌的副總司令兼冀熱遼邊區司令之職，駐防葫蘆島。蔣介石這麼做，主要是為了監督衛立煌執行軍令，但衛立煌仍舊堅持己見，不傳達命令。這樣一直拖到了10月20日。就在這一天，東北野戰軍司令部下達了全殲東北敵軍的政治動員令。圍攻長春的主力，攻打錦州的主力，全速向遼西地區集結，把廖耀湘兵團重重包圍。
因為沒有人支持自己的作戰方案，蔣介石最後不得不讓步，同意廖耀湘兵團退往營口。但經過這幾天的拖延，這唯一一線希望也化為泡影了。廖耀湘兵團南下營口，必須經過黑山、大虎山，這是一段狹長地帶，不利於大兵團行進，這兩個制高點又像兩扇大鐵門，是整個戰役的關鍵所在。
10月21日，廖耀湘命令以兩個師又一個旅的兵力從正面、側面同時向解放軍黑山陣地進攻。首先集中兩個軍的重炮，向黑山猛烈轟擊，一時間驚天動地，炮火紛飛，遼西戰揭開了序幕。守衛黑山、大虎山一線的是東北野戰軍的第十縱隊。當時野戰軍主力還沒有趕到，十縱的戰士們要對付幾倍於己的敵人。這一仗打得好，阻住了敵人，就標誌著東北的解放；打得不好，放跑了敵人就等於放虎歸山，後患無窮！十縱隊的領導接到上級指示後，立即加強防禦，認真部署。戰士們也紛紛表示：人在陣地在，不放走敵人一兵一卒！
十縱隊二十八師負責黑山陣地的防禦，西側是大白台子，東側是高家屯，其中一O一高地形勢險要，是敵軍進攻的首要目標。但這裡卻是一座寸草不生的石頭山。戰士們費盡九牛二虎之力，也刨不出個拳頭大的坑，看來挖戰壕是不行了。縱隊首長當機立斷，決定集中全力做好地面工事，用大量土袋鐵枕修築地面火力點。命令一下，整個高地頓時沸騰起來。附近的老鄉們聽到解放軍要打反動派軍隊也爭相到陣地幫忙。不多久，原來光禿禿的石頭山就變得堡壘森嚴，堅不可摧。
10月23日，廖耀湘的先頭部隊已經抵達解放軍前沿陣地。10月24日晨，敵軍在成群戰鬥機、無數重炮以及坦克、裝甲車的支援下，向黑山陣地發動全面進攻。敵八十七師在亂泥坑一帶攻向西線陣地，敵二O七師、一六九師和新二十二師從胡家窩棚一帶攻向左翼和正面陣地。敵人的炮彈披頭蓋臉地打在我軍陣地上。一時間硝煙瀰漫，地動山搖。敵軍緊跟著炮火，分路向我陣地衝鋒。
敵人第一次衝鋒，三個營分別撲向「九二」高地、「一0一」高地和高家屯陣地。詭計多端的敵人在正面進攻的同時，從解放軍西側伸出了一隻拳頭，以九十一師一個營的兵力，攻打白台子陣地。解放軍戰士不為所動，哪裡有敵人哪裡就有堅決的反擊。他們冒著炮火，打退了敵人的第一次進攻.
敵人接著又發起第二次、第三次衝鋒，結果仍以慘敗告終，除在陣地上留下了幾百具屍體外，一無所獲。敵人惱羞成怒，在正午時分，集中了所有火力，不惜一切代價，發動第四次衝鋒。守衛陣地的解放軍戰士奮戰了六個多小時傷亡嚴重，但面對獸性發作的敵軍毫不畏懼，讓敵人每前進一步都要付出慘重代價。堅守高家屯石頭山陣地的六連一排，消滅了無數敵人，自己也只剩下了四名戰士，抗拒敵人一個半營兵力，他們打完了最後一顆子彈，也流盡了最後一滴血。兩個半小時後，陣地被敵人占領。
石頭山陣地失守，嚴重地威脅著解放軍的其他陣地。下午三時，敵人一個營又向「九二」高地猛攻。眼看著敵人就要衝上來，這時，四連指導員劉寶珊高聲喊道：「同志們！誰是無產階級硬骨頭，就在這最困難最危險的時候，顯示出我們的本色吧！刺刀見血最英雄，殺敵立功最光榮！
戰士們群情激奮，士氣高昂，一頓猛打，把敵人打下山去，不到20分鐘，又消滅了200多敵人。敵人很快又組織了一個營的兵力再次發動猛攻，這時解放軍陣地上只剩下20餘人，上級見固守已經對我不利，命令四連撤出陣地。一排長李永發為了掩護連隊後撤，堅守到最後一刻，與敵人展開肉搏戰，刺死了5名敵人，自己也壯烈犧牲。
石頭山「九二」陣地相繼失守，「一0一」高地已經成了敵人的最後一顆眼中釘。他們集中了全部炮火，瘋狂轟炸。地面工事幾乎全部被破壞。即使這樣，戰士們仍然打退了敵人一次又一次進攻。一直戰至最後一人。不久，敵人攻占了「」陣地。
解放軍黑山前沿陣地已為敵人攻占，情況萬分危急！如果不能奪回陣地，敵人就會突破黑山城，逃出包圍圈。在此緊急關頭，我軍將士沒有灰心，沒有驚慌，而是趁敵人立足未穩，迅速組織反擊。二十八師賀師長當即命令集中炮火，向陣地上的敵人發起急風驟雨般的轟擊，同時命令八十四團團長率領兩個營發動反攻。三營負責收復「九二」高地，一營負責收復九二」高地。戰鬥士飛速前進，還沒等敵人反應過來，就衝上了山頭，經過激烈戰鬥，一口氣奪回了陣地。
敵人第一天進攻就碰得頭破血流，而解放軍的士氣更加高昂，信心倍增。二十五日，廖耀湘孤注一擲，集中主力，發動了更加猛烈的進攻。解放軍雖然次次重創敵人，但畢竟寡不敵眾，石頭山「九二」高地、「一0一」高地先後失守。黑山陣地再次受到嚴重威脅。二十八師賀師長親自趕到前沿陣地，指揮八十二團、八十四團，分四路攻向高家屯。解放軍炮兵也大顯神威，壓得敵人抬不起頭。到黃昏時分，終於使陣地失而復得。敵人竹籃打水一場空，頓時像泄了氣的皮球，再也無力發動強大攻勢。
十縱隊戰士從23日到25日，阻住了數倍敵人的進攻，使敵人屍橫遍野，寸步難行。26日，解放軍主力已經將廖耀湘兵團完全包圍，敵人這一回可真是上天無路入地無門了。廖耀湘一心想逃往營口，卻無法衝破解放軍的銅牆鐵壁，一籌莫展。這時他接到衛立煌的電話，說營口軍艦擱淺，無法登船，要求廖兵團退回瀋陽。廖耀湘見大勢已去，只好同意回兵瀋陽。他哪裡知道，解放軍早已布下了天羅地網，從黑山經新民到瀋陽的唯一一條公路也被解放軍切斷，退回瀋陽的大門也已經被關閉了。
解放軍把廖耀湘兵團圍在方圓百餘公里的地帶中。26日，各路攻擊部隊向敵人發動總攻，大膽穿插，分割。國民黨官兵像沒頭的蒼蠅，亂作一團。26日晨，解放軍十縱隊的一個營。輕兵急進，插到了敵軍心臟胡家窩棚，一舉攻克了敵人的炮兵陣地，俘虜了大量敵人。戰士們不知道他們已經攻進了廖耀湘的兵團司令部！國民黨高級軍官們頓時魂飛魄散，四散奔逃，廖耀湘只帶著少數隨從奪路逃命。本來國民黨軍隊就已經混亂不堪，這一下被端掉了司令部，更是群龍無首。
廖耀湘和跟隨他逃命的四個高級官員就夾在潮水般的潰軍中漫無目的地擠著跑著。這些人早就失魂落魄，東邊槍響，他們就往西邊跑，西邊槍響，他們就往東邊逃，將官的指揮也不管用了。廖耀湘曾派人喊話，命令士兵保護他們突圍，但人人自危，根本沒人聽話。最後士兵們都跑散了，只剩下廖耀湘和新六軍軍長李濤新，二十二師副師長周璞和一個高參。他們趁著天黑，向南方摸索突圍。第二天早晨，那個高參又被解放軍哨兵發現逮捕，李濤也被衝散。只剩下了廖耀湘、周璞二人。他們兩個人在高粱杆堆里藏了一天晚上再摸索著逃跑。但過了不久，他們也被解放軍查獲。
在重重包圍之下，國民黨士兵根本無力抵抗，只是到處亂沖亂撞。解放軍趁機發動政治攻勢，高喊「蔣軍兄弟們！廖耀湘兵團已經完蛋了，誰再抵抗就是死路一條，繳槍不殺，趕快投降！」國民黨士兵見生存有望，無不爭相繳槍投降。解放軍戰士連通信員、炊事員、飼養員、甚至宣傳隊和衛生隊的女同志都來捉俘虜。
到了27日，遼西鏊戰基本結束，號稱國民黨「主力之主力」的廖耀湘兵團全部被殲，兵團司令廖耀湘以下8.7萬人被這一戰是解放軍戰史上最成功的戰例之，也最終決定了東北的全境解放。蔣介石還在做最後的掙扎。27日他請杜聿明到北平，主張把葫蘆島的軍隊運到營口，接應廖兵團撤退。杜聿明哭笑不得，反問道：「調兵艦要幾天？蔣介石回答：「我想要兩三天。」杜聿明接著問，「由葫蘆島運到營口要幾天？」蔣介石說：「三四天可能運完。」杜聿明說：「這就是說要將葫蘆島的部隊運到營口，至少也要一個星期。
在這一周內，廖耀湘要是存在的話，就可以自己打出來退到營口，否則一兩天就完了。再把葫蘆島的隊伍調去，不是等於送死嗎？」蔣介石聽罷，只好作罷。不久，廖耀湘全軍覆沒的消息傳來，他直氣得口吐鮮血急敗壞地飛回南京去了。廖耀湘兵團被殲，解放全東北的日子也將要到來了！