9月24日，锦州范汉杰电蒋求援，蒋介石才召卫立煌于到南京开会，迫令卫立煌由沈阳出兵支援锦州，卫仍然拒绝接受。最后，蒋介石决定空运49军到锦州增援（运到2个团，9月28日机场被解放军炮火封锁，空运中断），另一方面仍强要卫由沈阳向沈锦线攻击前进，并派参谋总长顾祝同到沈阳督战执行蒋的命令。顾祝同在沈阳期间，曾一再召集东北将领会议，要卫出兵沿沈锦路前进解锦州之围，卫仍坚决反对执行这项命令，认为有全军覆灭的危险，并与顾多次争吵。卫赌咒发誓说：“出了辽西一定会全军覆没，你不信我同你画个十字（画押的意思）。”第9兵团司令廖耀湘提出：乘东北解放军主力攻击锦州时，将沈阳主力一气撤至营口地区。卫立煌认为如不能照他的意见办时，可以实行这一方案。而顾祝同未得蒋介石同意也决不敢同意撤至营口。最后，顾祝同见要卫立煌出兵辽西仍无希望，只好回南京向蒋介石汇报说东北负责将领不服从命令，不愿意打仗。
蒋介石得到顾祝同的汇报后非常愤怒，于10月2日飞抵沈阳，召集军事会议，决定从华北和山东海运葫芦岛7个师（华北林伟俦的第62军3个师、黄翔的第92军1个师、罗奇的独立第95师、烟台王伯勋的第39军2个师），加上葫芦岛阙汉骞的第54军4个师，共计4个军11个师组成“东进兵团”，由华北第17兵团司令侯镜如指挥；以沈阳地区的5个军11个师（潘裕昆的新1军2个师、李涛的新6军2个师、龙天武的新3军3个师、向凤武的第71军3个师、郑庭芨的第49军1个师）和3个骑兵旅，组成“西进兵团”，由第9兵团司令廖耀湘指挥，准备东西对进，以解锦州之围。晚间，蒋介石又召集师长以上将领会餐，蒋发表讲话说：“我这次来沈阳是救你们出去，你们过去要找共匪主力找不到，现在东北共匪主力已经集中在辽西走廊，正是你们为党国立功的机会。我相信你们能够发挥过去作战的精神，和关内国军协同一致动作，一定可以成功的。关于空军的协助、后勤的补给，周总司令、郭总司令已经同你们准备好了。万一你们这次不能打出去，那么，来生再见。”
在沈阳，蒋介石还单独接见了廖耀湘。蒋对廖说：“这次沈阳军队出辽西，解锦州之围，完全交你负责，如有贻误，也唯你一个人是问。”廖表示：“我决心执行总统的命令，立即行动。”但廖耀湘不明白，为什么蒋介石在5月初就决心撤退沈阳主力以避免决战，而现在又为什么下这么大的决心要与东北共军决战？就把问题提出，请教蒋介石。蒋告诉廖：“这是从战略全局考虑的。在撤退东北主力之前，一定要给东北共军一个大打击，一定要来一次决战，否则华北就有问题，将来有机会我再同你讲。当大将，一定要顾虑全局，你应该顾虑到整个局势，好好努力完成这一次任务。”随后，蒋介石又接见了几位军政要员，3日即匆匆离开沈阳。
就在蒋介石飞抵沈阳的同一天，即10月2日清晨，东北野战军总部的列车到达郑家屯以西。这时，林彪得到报告，在葫芦岛，敌军新来了4个师。林彪担心锦州未攻下便受到沈阳、锦西、葫芦岛三方援敌夹击，到时部队油料耗尽，大量汽车、坦克、重炮撤不走，将陷入危局。于是，他命令列车暂停前进，当晚给中央军委发去特急电报表示：“……在战斗未解决之前，敌必在锦西葫芦岛地区留下一两个师守备，抽出五六个师的兵力，采取集团行动向锦州推进。我阻援部队不一定能堵住该敌，则该敌可能与守敌会合。在两锦间敌阵地间隙不过五六十里，无隙可图。锦州如能迅速攻下，则仍以攻锦州为好……目前如攻长春，则较6月间准备攻长春时的把握大为增加。”林彪签发这一电报后，攻锦部队仍按原部署继续向锦州推进，东总列车亦于深夜继续南进。
10月3日清晨，林彪与政委罗荣桓、参谋长刘亚楼紧急磋商。林彪说：“只准备了一桌菜，突然来了两桌客，怎么办？”罗、刘建议仍然按原部署攻打锦州。林彪考虑了一会，命秘书把电报追回来，但电报已于凌晨4时发出。林、罗、刘三人便于上午9时重新给军委发电表示：“我们拟仍攻锦州。”10月4日晨6时，毛泽东复电表示：“你们决心攻锦州，甚好，甚慰。”“在此之前我们与你们之间的不同意见，现在都没有了。”
10月5日，东野“前指”到达位于锦州西北、距锦州30多里的牛屯。林彪察看了地形后，立即召开军事会议，拟定了总攻锦州和打援的具体作战方案：以第2、第3纵队和第6纵队之第17师，以及炮兵纵队主力和坦克营，组成北突击集团，由第3纵队司令员韩先楚指挥，由城北向南突击；以第7、第9纵队及一部分炮兵，组成南突击集团，由第7纵队司令员邓华指挥，从城南向北突击；以第8纵队及第1纵队炮兵团，组成东突击集团，由第8纵队司令员段苏权指挥，从城东向西突击；以第4、第11纵队及2个独立师位于打渔山、塔山和虹螺蚬一线，由第2兵团司令员程子华指挥，阻击葫芦岛和锦西方向的援敌；以万毅第5纵队、黄永胜第6纵队（欠第17师）、梁兴初第10纵队（附第1纵队第3师），位于新民以西、以北地区，堵击由沈阳出援的敌“西进兵团”；李天佑率第1纵队（欠第3师）位于锦州和塔山之间的高桥，作为战役总预备队，既可北攻锦州，也可南援塔山。
塔山是北宁线上一个小村落，位于锦州、锦西之间，距锦西10余公里，距锦州30公里，是由锦西增援锦州的必经之地。林彪强调指出：“攻击锦州最重要的保证，是要把锦西方面的敌军挡住。两锦相距约50公里，万一堵不住敌人，攻锦部队就要受到很大威胁。”10月5日，林彪致电4纵：“你们必需利用东自海边西至虹螺蚬山下一线约20余里的地区，作英勇顽强的攻势防御，利用工事大量杀伤敌人，使敌人在我阵地前尸横遍野……而使我军创造震动全国的光荣的防御战。”
10月6日，蒋介石乘“重庆”号巡洋舰到达葫芦岛第54军军部，部署锦、葫国军增援锦州的作战任务。他对众将领说：“这一次战争关系重大，等华北2个军及烟台1个军运到后，协同沈阳5个军夹击攻锦州的共匪，然后接应沈阳我军主力到锦州。各将士的任务重大，几十万人的生命，都交给你们负责。要以杀身成仁的决心，击灭共匪……”蒋并交代以后葫芦岛部队归侯镜如司令官指挥，在侯未到以前，由阙汉骞统一指挥向塔山、锦州攻击。同时指定海军司令桂永清及第三舰队司令马纪庄指挥海军以大炮击毁塔山解放军阵地，协助陆军攻击。
蒋介石在葫芦岛部署完毕后，于7日乘“重庆”号返天津塘沽。蒋用白手套在舰上到处摸，发现有灰尘，气得大骂海军司令桂永清：“海军腐化堕落成这样，要亡国的！”
10月10日起，国军“东进兵团”3个军9个师（第39军的2个师15日才到达，未参战），先由第54军军长阙汉骞指挥，后由第7兵团司令侯镜如指挥，在空军、海军掩护下，以斗牛式的战法，轮番向塔山附近东北野战军第4纵队阵地发起正面强攻。至13日，国军连续猛攻均被打退，塔山阵地仍被解放军牢牢控制在手中。这时，东野攻锦主力部队的外围战斗已结束。当天深夜，刘亚楼电话通知各攻锦部队：“攻城准备就绪，明天上午总攻锦州。”蒋介石感到锦州城已岌岌可危，连夜电令侯镜如：“拂晓攻下塔山，12时占高桥，黄昏到达锦州！”
10月14日凌晨6时，侯镜如指挥部队向塔山解放军阵地发起狂冲，双方展开了几天来最为惨烈的阵地争夺战。东野第2兵团司令员程子华向“东总”报告，战斗异常激烈，部队伤亡很大。此时，总攻锦州的命令尚未下达，塔山阵地已9次易手。如果在攻城战斗突破阶段塔山失守，敌“东进兵团”将像潮水一般在一个小时内涌来，即可直逼锦州，攻城部队将腹背受敌。这样一来，不但整个辽沈战役的总计划被打乱，东北野战军主力也将受到极端严峻的威胁。刘亚楼面对如此严峻的形势，犹疑了，这是关系到东北野战军几十万大军生死存亡的事啊！林彪俯看桌上的地图，眼睛紧盯着塔山这个几乎看不见的小村落，果断地向刘亚楼挥了挥手，示意下达“总攻开始”的命令。刘亚楼还未拿起电话，沉默了半天的林彪终于开口说话了：“告诉程子华，我只要塔山，不要伤亡数字！”
10月14日10时，刘亚楼下达了总攻令。东野炮纵集中500门大炮向锦州城内预定目标猛烈轰击。11时30分，各突击队发起冲击。至10月15日18时，攻克锦州城，全歼国民党守军十万余人，生俘东北“剿总”副总司令兼锦州指挥所主任范汉杰上将和第6兵团司令卢浚泉中将。侯镜如闻锦州失守，也暂时退回了锦西、葫芦岛。
当晚，林彪在指挥所接见范汉杰、卢浚泉。林彪询问范汉杰对锦州一战的看法。范汉杰沮丧地说“打锦州这一着，非雄才大略是下不了这个决心的，锦州好比一根扁担，一头挑东北，一头挑华北。现在扁担断了。”又说：“贵军炮火猛烈，出乎意料。我们的炮火全被压制住了。”接见卢浚泉时，林彪要卢浚泉给镇守长春的第60军军长曾泽生通个电。第60军与卢浚泉的第93军同属滇军，卢浚泉同曾泽生有袍泽之谊。卢浚泉当即起草了劝曾泽生率部起义的电报。
10月15日锦州城破之日，蒋介石又飞抵沈阳，派飞机去长春空投手令给郑洞国，要其率部立即突围南撤，否则将受到“严厉之军纪制裁”。但长春守军没有往火坑里跳，10月17日，第60军军长曾泽生率所属3个师2.6人万起义。当晚，解放军悄然接管了长春东半城第60军的防务。19日，新7军军长李鸿率其军部及所属3个师投降。郑洞国及其司令部仍踞守长春银行大楼，派人与解放军接洽，要求允许他再“抵抗”一两天，并发布一个他受伤被俘的消息。郑的要求获得解放军同意。21日4时，郑洞国率部放下武器。
廖耀湘率“西进兵团”出辽西后，于13日占领彰武，15日进占新立屯。锦州失守后，卫立煌认为廖兵团再无西进的必要，应迅速撤回新民，否则又有被解放军包围消灭的危险。但蒋介石于10月16日回北平后，连电卫立煌迅速向锦州攻击，而卫立煌坚决不令廖耀湘继续西进，又不敢令廖撤回新民。
10月19日，蒋介石在北平召集傅作义、卫立煌和杜聿明开会，讨论收复锦州事宜。会上，卫坚持要集中兵力守沈阳，而蒋则非要收复锦州不可。杜聿明认为东北国军士气不振，各军残缺不全，要打也得经过补充整训，才可以相机对锦州攻击。蒋说：“我们有空军优势、炮火优势，为什么不能打？我认为可以打！”杜鼓起勇气问蒋介石：“校长看收复锦州有几成把握？”蒋说：“六成把握总有。”杜觉得蒋介石似乎老糊涂了，有六成把握就想同解放军决战。于是引孙子兵法说：“庙算胜者得算多，庙算不胜者得算少，多算胜，少算败。现在我们算到六成，只会失败，不会胜利。”但蒋执意收复，强令廖耀湘兵团以营口为后方全力攻锦州，刘玉章第52军先占领营口掩护后方。同时，蒋介石又任命杜聿明为东北“剿总”副总司令兼冀辽热边区司令官，指挥葫芦岛、锦西部队向锦州攻击。蒋并说：“你们对共匪作战都丧失了信心，我料定只要我军主力从沈阳出来攻击，与葫芦岛各军南北夹击，共匪必退，我们就可以收复锦州。万一把共匪打不退，有52军占领营口掩护后路，再令廖耀湘撤退也不晚。”
就在长春即将解放之际，毛泽动认为，东北野战军下一仗以向南打锦西、葫芦岛之敌为有利。但林彪认为，如攻锦西，须准备在海岸边与敌12个师作战，地区狭窄，自己大兵团用不上，敌则扼原有强固工事抵抗，战斗不能很快解决，而廖耀湘西进兵团则可能乘虚进占锦州，对己不利。因此，林彪于19日致电军委建议：“如廖耀湘仍继续向锦州前进时，则等其再前进一步后，再向其进攻。但有若干迹象廖不再前进，或有向沈阳、营口撤退的情况时。则立即迅速包围廖兵团，以各个击破的方法，将其全歼，使之不能退回沈阳和退至营口。”毛泽东最担心的就是拥有大量精锐部队的廖耀湘兵团从营口逃跑，所以他完全同意首先将该兵团围歼在辽西沈、锦之间，立即复电林彪，要求“既本此方针，即刻动手布置，鼓励全军完成任务。”
10月20日，林彪发布作战命令：刘震第2纵队、韩先楚第3纵队、邓华第7纵队、段苏权第8纵队、詹才芳第9纵队、李天佑第1纵队及第6纵队第17师和炮兵纵队，立即由锦州地区隐蔽向新立屯、大虎山、黑山方向疾进，从两侧迂回包围廖耀湘兵团；万毅第5纵队、黄永胜第6纵队分别由阜新、彰武地区南下，切断廖耀湘兵团往沈阳的退路；梁兴初第10纵队和第1纵队之第3师由新立屯东北地区后撤至黑山、大虎山地区，构筑工事，坚决阻敌前进，以争取时间等待主力回师，尔后配合主力部队围歼敌军；吴克华第4纵队、贺晋年第11纵队在塔山地区继续阻击锦西方面敌军，保障主力作战安全；独立第2师以4天时间赶到营口，切断敌军海上退路。23日，林彪又电令第10纵队：“务使敌人在我阵地前尸横遍野而不得前进。只要你们坚守3天，廖耀湘西进兵团必遭全歼！”
10月23日9时，廖耀湘兵团向黑山、大虎山发起猛攻。东野第10纵队司令员梁兴初命令各师：“死守3天，不让敌人前进一步！”第10纵队将士以与阵地共存亡的决心，进行顽强的抗击，寸土必争。经过3天激战，10纵队守住了黑山、大虎山阵地，使廖耀湘兵团失去了西进的可能和南撤的宝贵时间。廖耀湘以5个师的兵力连日攻击黑山、大虎山阵地受挫，使他西进攻打锦州的决心动摇，遂于25日晚下令向东南营口方向撤退，但行至台安附近便遭东野第8纵队第23师和正奉命由盘山北进的独立第2师阻击，廖耀湘误以为是共军主力，又于26日按卫立煌的命令向东撤回沈阳，却被黄永胜的第6纵队堵住去路。至此，廖耀湘兵团10万人马全部陷入东野数十万大军的重重包围。廖耀湘走投无路，仰天长叹：“10万精兵啦！老天呀！”