锦州城内，驻防的日军第56师团一部及大量伪满军，军心浮动。尤其是伪满部队，开始出现成建制开小差甚至阵前倒戈的现象。
但关东军本部派来的督战队弹压甚严，核心防御阵地的日军仍企图负隅顽抗。
九月二十八日，总攻开始。第2纵队炮旅和日本人民军第1军炮旅，共计216门火炮，在两个观测气球的引导下，对锦州外围日军核心阵地进行了长达两个小时的毁灭性炮击。炮火如同犁地一般，将日军的堑壕、铁丝网、雷区、碉堡层层剥开。炮击之猛烈，以至于许多日军士兵不是被炸死，而是被活活震死在防炮洞内。
炮火延伸后，第2纵队和第1军的合成旅步兵，在坦克掩护下，发起了攻击。他们不再采用传统的人海冲锋，而是以班排为单位，充分利用弹坑和炮火摧毁的障碍物残骸，交替跃进，用密集的自动火力和迫击炮，一点点啃噬着日军的防线。
东北野战军司令部。
“报告！西北兵团陈大将电，我第7、8纵队已在承德、赤峰方向对敌第6军形成佯攻态势，成功牵制其一个师团、两个骑兵旅团以及兴安军等共计五万余兵力，使其无法东援锦州、沈阳。”
“报告！东路第4、5纵队报告，已成功突破兴城，正向铁岭方向攻击前进，56师团主力已被我吸引。”
“报告！侦察营发现，关东军司令部已从长春急调第2师团（仙台师团）乘火车南下，企图增援锦州！”
一条条信息汇聚到司令部。宋兴华站在巨大的地图前，目光锐利。他脑海中，【全景地图】清晰地显示着敌我双方的动态，那条代表日军第2师团的红色箭头，正沿着京哈铁路向南移动。
“想玩围魏救赵？”宋兴华冷笑一声，“熊参谋长，通知空军第一至三航空旅，目标，京哈铁路四平段，给我炸了它！命令第2军（日本人民军）派其第5合成旅，前出至四平附近设伏，如果第2师团徒步南下，就给我狠狠地打一下，吃掉它的先头部队！”
“是！”熊德诚立刻去传达命令。
十月三日，八路军空军三个旅的容克轰炸机群精准地轰炸了四平以南约二十公里的铁路线，将铁轨、枕木、桥梁炸得面目全非，形成了一个巨大的断裂带。日军第2师团的军列被迫停滞。急于赶路的日军先遣队约两千人，不得不下车徒步，结果在四平附近的山谷中，遭到了以逸待劳的日本人民军第2军第5合成旅的伏击。pak40反坦克炮和mG34机枪构成了致命的火力网，缺乏重武器的日军先遣队几乎被全歼，仅有少数人溃逃。日军第2师团主力被迟滞了至少三天，彻底失去了增援锦州的机会。
十月三十日，在内外交困下，锦州被攻克。南满铁路这条关东军的大动脉被拦腰斩断。
十月一日至十日，沈阳会战。
攻克锦州后，中路军团主力第2纵队毫不停歇，沿着沈山铁路，直扑东北重镇——沈阳。与此同时，东路的第4、第5纵队也从铁岭方向压了过来，对沈阳形成了钳形夹击之势。
沈阳，伪满政权的“奉天”，城防坚固，驻有日军精锐第4师团以及伪满第1军管区部队，总兵力近三万人。
战斗首先在沈阳东部的制高点——东山嘴防线打响。这里是沈阳的东大门，日军构筑了大量永久性工事。
第2纵队的坦克集群再次担任了攻坚矛头。然而，日军在此处部署了部分战防炮和大量的自杀式炸弹袭击者（“肉弹”）。
十月五日，东山嘴主阵地前。
特务一团（装甲团）团长程继武亲自指挥一个坦克连进攻。他的座车一马当先，连续摧毁了两个日军机枪碉堡。就在这时，侧翼的弹坑里突然跃出三名身上绑满炸药的日军“肉弹”，嚎叫着冲向坦克。
“右侧，肉弹！机枪手，快！”程继武在车内大吼。
车载机枪猛烈扫射，两名“肉弹”被打倒，但第三名借着地形掩护，已经冲到了坦克履带旁。
轰隆一声巨响，坦克剧烈震动了一下，右侧履带被炸断，瘫痪在原地。
“团长！你没事吧？”耳机里传来其他车长的惊呼。
“我没事！各车继续进攻，注意肃清两侧残敌！”程继武冷静地命令道，随即带领车组人员从顶部舱门爬出，用车载机枪和随身武器继续战斗。这一幕被紧随其后的新华社记者程欣用笔记录了下来。
在沈阳城内，巷战同样激烈。宋兴华提供的城防图再次发挥了决定性作用。攻击部队仿佛拿着“攻略”在打游戏，对日军的每一个暗堡、每一处火力配置点了如指掌。炮兵观测气球悬浮在沈阳上空，引导着炮火对城内重要节点进行外科手术式的打击。
十月八日，第2纵队一部在日本人民军第1军配合下，经过血战，攻占了沈阳东塔机场，彻底切断了沈阳守军的空中补给和逃路。
十月十日，在经历了惨烈的城市争夺战后，沈阳守军大部被歼，残部投降。日军第4师团长被迫切腹自尽。沈阳，这座东北的核心城市，在沦陷九年后，终于回到了中国人手中。
十月十一日至二十一日，辽宁肃清。
攻克沈阳后，东北野战军乘胜追击。第5纵队主力从铁岭南下，连续攻克辽阳、鞍山，歼灭第1师团一部。日本人民军第2军则从沈阳向南一路高歌猛进，伪满军望风而降，于十月十六日兵不血刃进入大连。与此同时，空军集中力量对负隅顽抗的旅顺要塞进行了多轮猛烈轰炸，摧毁了其主要岸防炮台和军用设施。
至十月二十一日，辽宁全境主要城市和交通线均被东北野战军及日本人民军控制。
在战斗激烈的正面战场后方，另一条“生命线”也在紧张地运转着。从山海关到绥中，再到锦州、沈阳，绵延数百公里的道路上，汽车团团长刘川指挥着数以千计的卡车，满载着弹药、油料、食品和药品，冒着可能出现的日军散兵游勇和空袭的危险，日夜不停地向前线输送。在卡车难以通行的崎岖小路上，则是更加庞大的骡马大队和民工支前队伍，他们用最原始的方式，确保了前线将士的供给。