10月29日，辽西会战刚刚结束，毛泽东即致电林彪、罗荣桓，就能否抽出一个纵队先行进关征求意见。林、罗考虑，华北迫切需要增兵，建议派四纵、十一纵再加3个独立师、1个骑兵师组成先遣兵团先行入关。11月3日，中央军委复电，指示东北野战军除先遣兵团外，休整一个月，至12月中旬出动，于1949年上半年攻击平津。
经过与蒋介石协商，傅作义决定采取“暂守平津，保持海口，扩充实力，以观时变”的方针。从11月中旬开始，傅将他统辖的全部兵力60万人收缩于张家口、北平、天津、塘沽、唐山等地，大体上是北平以西为傅系部队，北平以东为蒋系部队，在长约600余公里的交通线上摆成了一字长蛇阵。1948年，林彪在平津前线司令部向十九、二十兵团指挥员布置任务。左起：李天焕、杨成武、林彪、杨得志、谭政。
中共中央在研究了各方面获得的情报后，于11月9日提出了抑留傅作义部队于平、津、张、保地区，以待东北主力入关协同华北力量彻底歼灭该敌的方针，并要求华北的第三兵团暂不攻归绥。11月15日，林、罗、刘致电军委，为了拖住傅作义，建议“亦可暂不攻太原”，并对张家口或保定采用围而不攻的办法。中央军委同意停攻太原。
11月18日，毛泽东致电林、罗，为防止华北国民党军迅速撤退，命令东北野战军各纵队以一、二天时间完成出发准备，于21日或22日全军或至少8个纵队取捷径以最快速度行进隐蔽进关，突然包围唐山、塘沽、天津三处敌人，不使逃跑，争取使敌军不战投降，并要林彪、罗荣桓等先行出发到冀东指挥。
23日，东北野战军5个纵队和特种兵司令部由喜峰口、冷口隐蔽进关至冀东。27日，中央军委决定，平绥线作战之部队，在林、罗、刘进关之前由军委直接指挥；林、罗、刘进关后，即由林、罗、刘统一指挥。29日夜，为了调动傅作义部队，华北第二、第六纵队开始向张家口以西的据点发动攻击，平津战役开始。至30日，第一、第二、第六纵队形成对张家口的包围。傅作义果然上钩，急派其嫡系第三十五军主力由北平驰援张家口，于当日晚到达张家口，围城的解放军主动撤离。同日，林、罗、刘、谭率轻便指挥机关由沈阳乘吉普车和卡车，夜行晓宿，经义县、朝阳，从喜峰口入关。等到国民党发现解放军行动时，东北野战军除已进关的四纵、十一纵队，其余10个纵队和特种兵部队共70万人，连同大炮1000门，坦克100辆，装甲车130辆，战马10余万匹，已经浩浩荡荡向关内进军。
傅作义得知东北野战军进关之后，乃命第三十五军撤回北平，命第一○四军、第十六军向西去接应三十五军，并把驻天津的3个军调往北平。12月9日，从张家口回返的第三十五军被华北第二兵团包围于新保安。第一○四军和第十六军大部在2月10日至11日被东北野战军歼灭于康庄、怀来地区。至此，傅系主力大部被解放军在平张线抓住，而蒋系主力则被拖在了平津地区。
根据中央关于防止敌人从海上逃跑的指示，从12月12日起，各路大军先后向预定目标急进。第二、第五和第十一纵队于17日包围了北平；第六、第十、第十一纵队和华北第七纵队隔断了北平与天津之间的联系，并准备阻击平、津敌人突围；第八、第九、第七和第十二纵队及特种兵主力，于20日完成了对天津的包围。在进击中，解放军神速穿插于敌人占领的城镇、据点之间，有时夜间甚至同那些向北平集结的国民党军队同走一条路。天亮后，解放军发觉了，便及时将这些国民党军队消灭。
12月22日，华北野战军第二兵团攻克新保安，全歼傅作义的王牌军第三十五军16万人，缴获汽车400余辆。23日，华北野战军第三兵团及东北野战军一部围歼向北逃窜的张家口守军5.4万人，解放张家口。同时，林彪和罗荣桓发出布告，宣布了解放北平、天津等城市的“约法八章”。
在东线，林彪委托刘亚楼到塘沽前线去看地形。刘会同前线指挥员在塘沽附近转了一圈，回来向林彪作了报告。12月29日，林彪以林罗名义致电军委，提出放弃攻打两沽计划，集中5个纵队夺取天津，得到毛泽东复电同意。
在酝酿攻打天津的同时，同傅作义的谈判也在紧张进行。林彪和罗荣桓、聂荣臻领导了谈判斗争，并在谈判中坚决贯彻了中央军委的决策。
东北野战军进关，傅作义的嫡系被困在平张线以后，傅作义派出了谈判代表，但提出了由傅通电全国、宣布和平解决，成立有傅参加的华北联合政府，他的军队交联合政府指挥，放回被围在新保安的第三十五军等条件。解放军方面则要求傅作义部队必须放下武器，不同意成立华北联合政府的主张。双方差距太大，谈判无结果。林彪、罗荣桓在与傅进行谈判的同时，命令包围北平、天津的各部队抓紧进行攻城准备。在北平为力求避免使故宫等文化古迹和各图书馆、各大学以及其他文化设施遭炮火破坏，要求各部队制定了周密的计划，哪些地方可以放手攻击，哪些地方不能打炮，都做了明确规定，并且绘图立说，当作纪律去执行。
新保安、张家口解放，傅作义的嫡系部队基本上被消灭之后，傅作义采取了较现实的态度估量解放军和他自己的实力。从1949年1月1日起，谈判进展较快。由于傅作义不同意采用投降或在城内缴械的方法，解放军方面提出可将平、津守军调出城外，开赴解放军指定地点，按解放军的制度实行改编。只要傅作义让解放军和平接收平、津，对傅可不作战犯看待，在政治上给予一定地位，并保证私人财产安全。释放傅部官兵，一律不作战俘看待，对傅部军政官员一律不咎既往，凡愿意继续留下工作的都可安排工作。
对解放军提出的条件，傅感到尚不够具体，认为尚需再商量，并派出华北“剿总”副总司令邓宝珊出城谈判。解放军方面见傅拖延，决定进攻天津。林彪委托刘亚楼去指挥。攻城之前，1月6日，林彪、罗荣桓签署了一封给国民党天津警备司令陈长捷的信，劝他仿效长春郑洞国的榜样，命令守军和平放下武器，使天津免遭战争破坏，以将功赎罪。要求12日前答复。此信1月11日陈长捷收到后，即请示傅作义。傅让其参谋长回答：“坚定守住，就有办法。”于是陈即继续顽抗。
1月14日，解放军开始总攻天津，经过29小时的激战，到15日下午3时，守敌13万人悉数就歼，陈长捷被俘，天津解放。
这一期间，中共地下党组织又通过各种渠道，动员民主人士、文化教育界名流乃至傅的女儿中共党员傅冬菊劝说傅作义走和平道路。这一切事态的发展，终于促使傅作义毅然脱离国民党蒋介石，走上了接受和平改编的光明大道。1月16日谈判达成协议。
1月31日，北平和平解放。平津战役胜利结束，共歼灭和改编国民党军52万余人。随后，林彪、罗荣桓领导了部队的整训。东北野战军改称中国人民解放军第四野战军，林彪任司令员、罗荣桓任政治委员，萧克、赵尔陆分任第一、第二参谋长，谭政任主任；下辖第十二、第十三、第十四、第十五纵队，全军共90余万人。
1949年，第二、第四野战军领导人在汉口庆祝胜利。左二为林彪，戴眼镜者为刘伯承。3月5日至12日，林彪赴西柏坡出席了中共七届二中全会，随后主持了第四野战军南下的准备工作。1949年5月中共中央决定，以中共中原局为基础组成华中局，以中原军区领导机关和四野领导机关合并，改称中国人民解放军第四野战军兼华中军区(12月华中局改称中南局，华中军区改称中南军区)。林彪任华中局第一书记、华中军区司令员，罗荣桓任华中局第二书记、华中军区政委、邓子恢任华中局第三书记、华中军区第二政委，统一领导中南地区党政军工作。
1949年7月初，林彪率四野主力南渡长江，至1950年4月，在第二野战军第四兵团的配合和华南各游击队有力策应下，先后进行了宜沙、湘赣、衡宝、广东、广西、解放海南岛等战役，歼灭白崇禧集团和余汉谋部共43万人，解放了湘、鄂、赣、粤、桂5省。