背景
當錦州和長春解放後，蔣介石和杜聿明於10月15日、10月18日兩次飛赴瀋陽，同衛立煌等東北將領商討下一步作戰方針，衛立煌仍堅持主力固守瀋陽的主張，他認為錦州既已失守，解放軍必將回師打西進兵團。解放軍兵力幾乎是西進兵團的兩倍，而且無後顧之憂。而國民黨軍既要守瀋陽，又要攻擊錦州。南北分進，卻不能合擊，反倒有被各個擊破的危險，因此西進兵團應迅速撤回瀋陽。林彪事後說如按衛立煌的計畫，西進兵團退回瀋陽，將不致失敗得如此之快。廖耀湘則主張西進兵團先到營口再從海路撤退。他認為退回瀋陽是慢性自殺，充其量不過是長春的下場。而向營口撤退，沿途沒有解放軍的主力，路程又短，只需兩天的急行軍就可到達。蔣介石考慮到，東北局勢已無法挽回，只有將瀋陽主力撤出東北才可免遭復沒，但到營口從海路撤離，一來時間已是10月中旬，距11月的冰凍期僅半個月，運輸船隻也不足，在這么短的時間裡是無法撤出全部二三十萬部隊的。二來即使能全部安全從海路撤走，東北解放軍必將大舉南下，那華北地區國民黨軍是很難抵擋的。所以他想最好能在撤出東北前給予解放軍一個打擊，消耗其有生力量，挫傷其銳氣，這樣才能減輕華北的壓力。加上空中偵察報告解放軍攻占錦州後正向錦西、山海關移動，使他判斷解放軍在攻城時傷亡很大，無力守錦州，非經休整不能再戰。所以主張從陸路撤退，乘機奪回錦州。平心而論衛立煌的方案太消極，蔣介石的方案在當時還是比較正確的，但全軍撤退的最佳時機已錯過了。雙方爭執不下，最後杜聿明提出折衷方案；以營口為後方，主力向黑山、大虎山攻擊前進，如攻擊得手，就進而收復錦州；如攻擊不成，即逐次抵抗並向營口撤退。蔣介石立即同意了這個方案。由於衛立煌總是與蔣意見不一，很使蔣惱火，但臨陣換將又會影響士氣軍心，所以蔣介石任命杜聿明為東北剿總副司令兼冀熱遼邊區司令，代表蔣指揮東北軍事，將衛立煌架空。
國民黨準備
10月20日，杜聿明到瀋陽傳達蔣介石的命令：第9兵團向黑山、大虎山攻擊前進，並以第52軍占領營口，確保後方。第8兵團守瀋陽。衛立煌對該計畫心存疑慮，他認為第9兵團一旦在黑山受阻，加上新立屯的退路如被切斷就有全軍復沒的危險了。因此他叮囑廖耀湘，如情況有變，應立即撤回瀋陽。杜聿明也指示能戰則戰，不能戰則退。而廖耀湘本人更一心要退營口，甚至說必要時將不顧蔣介石的命令獨斷專行。因此這一方案在實施前就已有名無實。
10月21日，杜聿明飛抵葫蘆島，召集東進兵團軍、師長會議，商討策應西進兵團的作戰行動，眾人都認為當面的解放軍陣地堅固，難以突破，現在又有向錦西、葫蘆島進攻的跡象。而東進兵團經多日作戰，傷亡慘重，恐怕連抗擊解放軍的進攻都很困難，更別說進攻了。在此情況下，雖然下達了10月23日再次進攻塔山的命令，但各部行動遲緩。直到10月27日廖耀湘兵團被殲滅時仍在塔山一線徘徊，沒有任何進展。
經過
10月17日，國民黨軍廖耀湘兵團占領新立屯。10月20日根據蔣介石的計畫，以第71軍的兩個師及青年軍第207師第3旅（相當於師）並配屬兵團直屬的兩個重炮營，於10月21日拂曉向黑山攻擊。
黑山、大虎山，西北緊接著平均高度達千米的醫巫閭山山脈，東南是連綿約九十多公里的沼澤，在山脈與沼澤之間是一條寬約二十多公里的東北向西南走向的狹長丘陵地帶。北寧線和大連到鄭家屯兩條鐵路和瀋陽到錦州的公路都從此穿過，這是瀋陽到錦州的唯一通道。而黑山大虎山就像是這條走廊上的兩扇大門，開則暢通無阻，閉則路斷道絕。同時還是廖耀湘兵團無論要重占錦州，或者退向瀋陽，還是轉向營口的必經之路。只有占領黑山大虎山才能確保西進兵團進退自如。廖耀湘和林彪都深深明白這一點，林彪早就命令第10縱隊和第1縱隊之第3師、內蒙古騎兵第1師，在黑山大虎山選擇陣地，進行頑強防禦，以掩護主力趕到。10縱司令是原任東北野戰軍王牌部隊的第1縱隊第1師師長有虎將之稱的梁興初，10月21日，10縱在南起大虎山鐵橋，西到水淦寬約二十五公里的弧形正面展開防禦，第28師居中守黑山城，第29師在左翼，第30師在右翼，1縱之第3師在黑山至大虎山之間守二線陣地，內蒙古騎1師為預備隊，縱隊所屬炮兵團（共60門火炮）提供火力支援。10月22日各部進入指定陣地，立即搶修工事，林彪要求10縱務必堅守三天。
10月21日，西進兵團到達胡家窩棚地區，接近解放軍在黑山大虎山的陣地。廖耀湘已無心重占錦州，他準備向營口撤退，雖然他在出發前就有將在外君命有所不受的臨機決斷之心，但真正到了要他決斷之時又猶豫了，向衛立煌、蔣介石發電請示，為等待衛、蔣的答覆，整整浪費了兩天極其寶貴的時間。此時解放軍第10縱隊剛到達黑山，工事未築，立足未穩，如果廖耀湘能當機立斷髮動攻擊是完全可能占領黑山大虎山的。但這一最佳的時機就這樣失去了。就憑這一點，對於後來西進兵團的全軍復沒，廖耀湘有著不可推卸的責任。
10月23日，西進兵團到達黑山大虎山地區，廖耀湘以先頭部隊第71軍為主發起攻擊，上午九時起，71軍之91師和青年軍207師之第3旅在猛烈炮火掩護下，向143高地猛攻，解放軍第28師之82團連續打退五次集團衝鋒，抗擊了整整一天守住了陣地。為縱隊主力贏得了一天的戰前準備時間，為黑山阻擊戰立下首功。廖耀湘作為兵團司令，在此生死存亡的關鍵時刻，還盲目輕視解放軍的實力，首先使用第9兵團二流部隊71軍，而未使用精銳的新1軍或新6軍，使立足未穩的解放軍又有了寶貴的一天時間鞏固防禦，這是他一大失誤。
10月24日，廖耀湘集中七個師的兵力，在二百餘門火炮和二百餘架次飛機的火力支援下發動全線攻擊。以青年軍第207師之第3旅和有“國軍之花”之稱的新6軍之第169師向黑山以東的高家屯一線實施主要突擊，以71軍、新1軍共四個師向黑山以北尖山子一線實施輔助攻擊，以新6軍之新編22師向大虎山迂迴。在主要防禦方向上的解放軍第28師，堅守101、92、90等高地，頑強抗擊國民黨軍的攻擊，工事毀而再修，陣地失而復得，戰鬥極為激烈。在最關鍵的101高地，國民黨軍發射的炮彈如同雨點般密集，戰後在山上留下的彈坑多達六千六百餘個，平均每平方米就落彈一發，101高地整整被削去兩米，成了99高地，炮火激烈程度可見一斑。堅守101高地的第28師第84團之2營，與整整一個旅的敵軍拼殺十個小時，白刃肉搏就有五次之多，最後全營五六百人僅剩二十餘人，101高地和以北的62陣地都被占領，形勢嚴峻，坐鎮28師師部指揮的梁興初立即命令組織反擊，28師師長賀慶積親臨82團組織反擊，但兩次反擊都告失利，賀慶積再全力組織第三次反擊終於在天黑前奪回了陣地。經一天激戰在解放軍頑強抗擊下全線毫無進展。這天錦州地區的解放軍主力已陸續到達黑山地區，廖耀湘感到局勢危急，重占錦州的決心動搖了。而第52軍已占領營口、鞍山、遼陽，打通瀋陽到營口的道路，廖耀湘決定放棄原定重占錦州的計畫，改向營口撤退。
10月25日，廖耀湘集中所有重炮，支援第3旅和第169師繼續攻擊黑山，以掩護主力撤退。101高地，改由解放軍第28師第82團之2營堅守，在表面工事幾乎都被敵炮火摧毀的不利條件下，多次與敵肉搏拼殺，擊退敵成營成團的集團衝鋒。由於新6軍下了死命令必須於當天占領黑山，第169師組織敢死隊和軍官突擊隊拚死猛攻。中午時分占領高地側後的賀家窪子小高地，並以此為依託向101高地攻擊，但82團立即組織預備隊出擊奪回小高地。隨後169師又集中兩個團以波浪式衝鋒攻擊101高地，此時101高地上解放軍守軍僅存百餘人，終於不支，遂被169師占領。這樣一來整個戰場形勢十分緊急，梁興初從30師抽調一個營，加上28師的所有預備隊，於晚六時發起反擊，一舉衝上高地，同敵展開白刃格鬥，並以全部炮火攔阻敵後續部隊，激戰至天黑，重又收復了101高地。國民黨軍正面攻擊不成只好向右翼迂迴，又被剛趕到的第8縱隊之22師所阻。黑山阻擊，最終阻止了廖耀湘兵團向錦州的推進，為主力北上圍殲該兵團贏得了寶貴的時間。在三天慘烈的戰鬥中，解放軍傷約3400人，陣亡751人。國民黨軍傷亡約8000人。此次戰鬥的激烈殘酷程度，久經戰陣的10縱司令梁興初回憶說超過他參加過的任何一次戰鬥。
10月24日，廖耀湘正式下達向營口撤退的命令，以第49軍及新3軍之第14師為先頭部隊，在新6軍之新22師掩護下經大虎山以南撤退，然後依次是新3軍主力，兵團部及新6軍，新1軍，71軍為後衛。計畫於25日黃昏停止對黑山的攻擊，交替掩護撤退。
當西進兵團被第10縱隊等部滯留在黑山地區時，在錦州的東北野戰軍主力分為兩個梯隊兼程北上，10月20日，第一梯隊第1、3、8縱隊分別向白土廠、黑山、大虎山前進；10月21日，第二梯隊第2、7、9和炮兵縱隊緊隨出發。至25日，都已隱蔽進到北鎮地區。就在各部急行軍途中，林彪於10月22日、23日、24日連電各縱隊、師首長，就圍殲西進兵團的任務、戰術等問題發出一系列的指示：要求各部在敵退卻中與敵決戰，採取攔頭、斷尾、夾擊中間的方法以求全殲。以第10縱隊死守黑山大虎山；第5、6縱隊以強行軍向半拉門地區攻擊前進，切斷敵向瀋陽的退路；第3縱隊向尖山子、二道鏡子攻擊前進，插入敵中央；第7、8縱隊向台安攻擊前進，切斷敵向營口的退路。其餘第1、2、9縱隊則向新立屯、黑山攻擊前進。因得到國民黨軍第52軍到新民的不確實訊息，命令獨立第2師取消去營口的任務，返回新民地區，參加圍殲西進兵團的作戰。在戰術上，林彪要求先觀察好地形，選好主攻地點，然後集中儘可能最大的兵力、火力。在攻擊時先以炮火進行破壞射擊，摧毀敵重要目標，再實施數分鐘火力壓制，然後再以步兵衝鋒。切忌地形未觀察，部隊未到齊，火力未配備，就倉促攻擊。中央軍委對此部署和戰術均表示同意，但強調要以一部控制營口，阻止敵從海上撤退。
10月25日清晨，西進兵團按計畫向營口撤退。不久先頭部隊第49軍就與此時正向台安地區西北方向攻擊前進的解放軍第8縱隊主力（欠第22師）和從營口返回的獨立第2師遭遇，雙方激戰竟日，國民黨軍第49師第105師的前衛團被殲，49軍軍長鄭庭笈根據戰鬥中當面解放軍配有重炮的情況，判斷遭遇解放軍的主力，其實這是臨時配屬給獨立第2師的重炮營。他認為往營口的道路已被切斷，竟未向廖耀湘報告這一重要情報，而直接向衛立煌請示。衛立煌立即命令他率49軍及附近的新3軍之第14師、新6軍之新22師退回瀋陽，並命令遼南的部隊在遼河上架橋，蒐集船隻，以接應西進兵團。
10月26日，廖耀湘得知49軍南撤受阻，明白退營口已無可能，他曾考慮就地組織防禦，等待瀋陽和葫蘆島增援，但部隊攜帶的彈藥、糧食都不多，難以堅持，加上部隊已開始混亂，要組織防禦是不可能了。他正在進退兩難的時候，衛立煌來電讓他迅速退回瀋陽，並告之已派部隊在遼河接應。儘管他知道即使退回瀋陽也不過是慢性自殺，充其量不過是長春的結局，但在這樣的局勢下，也只有如此了，畢竟如果退回瀋陽有問題也是衛立煌來承擔責任。於是他下達向瀋陽撤退的命令。此時解放軍第6縱隊已到達新立屯以西，切斷其向瀋陽的退路。隨即與退回瀋陽的西進兵團先頭部隊新3軍之14師遭遇，6縱在開闊地形上來不及構築工事，就利用村落房屋與敵激戰，特別是第16師第46團不顧敵三面炮火，搶占姚家窩棚，切斷敵14師與主力的聯繫，並一舉消滅敵一個營。6縱18師也在厲家窩棚與敵展開激戰，其中守厲家車站的一個營一天裡連續打退敵十四次衝擊。擋住了西進兵團退向瀋陽的去路。同時第5縱隊也及時趕到，以猛烈的穿插，打亂了新1軍的隊形，並粉碎了該軍繞過新民向瀋陽突圍的企圖。
從10月26日凌晨起，東北野戰軍的第1、2、3、5、6、7、8、9、10縱隊及炮兵縱隊按統一部署，對合圍在黑山大虎山以東，繞陽河以西，無梁殿以南，魏家窩棚以北約120平方公里範圍里西進兵團的五個軍，展開大規模的分割圍殲。其中1縱、2縱、3縱、6縱之17師、10縱由黑山大虎山正面從西向東突擊；7、8、9縱隊由黑山大虎山南面從南向北進攻；5縱、6縱（欠17師）由繞陽河從東向西攻擊。
10縱首先於凌晨四時由防禦轉入進攻，向王家窩棚、朱家窩棚、大小吳家台等地的國民黨軍發起攻擊，消滅了第49軍、新1軍、新6軍、207師各一部及第9兵團直屬重炮團和榴炮團等部。
林彪根據戰場形勢，適時下放指揮權，要求各部隊發揚高度主動、機動精神，不顧傷亡，不怕打亂建制消滅敵人。各縱隊大膽穿插於敵各軍之間，哪裡有槍聲就向哪裡，哪裡有敵人就向哪裡，剝奪敵收縮整頓的機會。特別是26日凌晨3縱第7師以營連為單位搜尋攻擊，其中有一支部隊襲擊了廖耀湘的兵團指揮部所在地胡家窩棚，儘管廖耀湘在突然的襲擊下並未驚慌失措，立即組織警衛部隊反擊，並經過激戰將解放軍擊退。但在戰鬥中兵團指揮部的通訊設施損毀嚴重，參謀人員死傷慘重，使廖耀湘失去了同部隊的聯繫，從而失去了對部隊的指揮。加上在3縱北面的1縱幾乎在同一時間裡攻擊了新1軍、新3軍、新6軍三個軍的軍部，使第9兵團最精銳的三個軍也失去了指揮，各部隊因為失去了指揮，無所適從，陷入了混亂和崩潰的狀態。此後第9兵團只能組織師以下規模的抵抗。廖耀湘幾經周折直到下午四時許才到達未受攻擊的新6軍之新22師師部，利用該師的通訊設施與各部隊溝通了聯絡，由於只考慮時間緊迫，形勢危急，廖耀湘在與各部隊聯絡時不顧參謀長的勸告，在報話機上通話、下達命令都使用明語。使得解放軍通過監聽掌握了西進兵團的行動路線和計畫，從而能迅速有效採取反措施。
在北平坐鎮指揮的蔣介石得知西進兵團被包圍，在日記中寫到：“東北全軍，似將陷於盡墨之命運。寸中焦慮，誠不知所止矣。”形成鮮明對照的是毛澤東在獲悉包圍西進兵團後，極為欣慰。
10月27日，解放軍繼續壓縮檔圍，展開攻擊。國民黨軍已近崩潰，除少數部隊仍在抵抗，大部已潰不成軍，四下亂竄。僅解放軍第6縱隊兩個排俘虜的2000人中就有五個軍九個師的番號，其潰亂程度可見一斑。
10月28日拂曉，廖耀湘兵團所部五個軍十二個師及直屬部隊共十餘萬人，全部被殲，其中包括被稱為“五大主力”的新1軍和新6軍。至此，遼瀋戰役第二階段結束。這一階段消滅了東北國民黨軍的主力，取得了遼瀋戰役決定性的勝利。毛澤東致電林彪及東北野戰軍全體指戰員，熱烈稱讚遼西會戰是一個偉大的勝利。
總結
遼西會戰從包圍到消滅廖耀湘兵團五個軍只用了兩晝夜，戰果之大，進展之快，不僅在東北，就是在解放軍歷史上也是前所未有的。之所以有這樣的勝利，一是廖耀湘兵團在攻擊過程中前進方向一變再變，先向西企圖重占錦州，再向東南企圖撤往營口，最後向東北企圖退往瀋陽，大兵團作戰在敵攻擊之下倉促改變方向，這是犯了兵家大忌。二來兵團指揮系統在一開始就被打亂，使部隊失去了統一的指揮。再加上兵無鬥志，將領又在緊急情況下慌張失措，所以在極短的時間裡十數萬精銳部隊就全軍復沒。戰後國民黨方面將失利的責任歸咎於衛立煌和廖耀湘，客觀地講，如果採取衛立煌的方針，在錦州失守後就將西進兵團撤回瀋陽，絕不會失敗得這么快，畢竟要攻占有三十萬精銳守備的堅固城市是要花一番工夫的。而蔣介石的重占錦州從陸路撤回關內的方針有其合理的一面，這一計畫如在1948年8月前實施就能成功，因為那時解放軍在遼南只有一個主力縱隊，兵力薄弱，以瀋陽主力全力攻擊一定能達到。而當解放軍主力南下開始北寧線作戰後，要突破數十萬解放軍的防線絕非易事，已經失去了撤退的時機。也就是說此戰的戰略決策就已埋下了失敗的伏筆。作為戰場指揮的廖耀湘在戰術指揮上有著很多失誤：在黑山下猶豫不決失去有利的戰機，一錯；攻擊黑山時使用兵力上未及時投入精銳主力，二錯；在退往營口時遇到阻擊就輕率判斷退路被切斷而改變方向，並未堅決攻擊以實現預定計畫，三錯；在指揮部被打亂重新與部隊溝通聯繫時，只考慮時間緊情況急，而在通訊中使用明語，四錯。有此四錯，他是要負很大一部分責任的。
遼西會戰態勢圖