1948年9月遼沈戰役開始後，蔡正國率部向北寧鐵路線附近集結。東北野戰軍首長給第十師下達的任務是：隨第四縱隊其他兩師，迅速轉向錦州以南，隨後切斷錦西、興城之間敵人的聯係。9月20日，蔡正國率部繞過錦州以南敵軍控製區，直插錦西、興城地區。9月23日夜，蔡正國指揮第十師二十九團，掃蕩了興城東北郊的白馬石高地後，轉向首山山口，經過與第十一師、第十二師協同作戰，在以後兩天的戰鬥中，第十師的部隊發動勇猛衝鋒，先後攻克了幹柴嶺北高地、韓家溝火車站。9月27日，第十師主力又向興城火車站和興城古城外圍之敵發起攻擊，至次日早晨將其全部肅清。
9月29日拂曉，第十師三十團在東城門附近實施爆破，而後炸開城門；二十九團緊隨其後，在炮兵配合下架起雲梯登城，經反複衝鋒，占領魁星樓；二十八團在北城門實施爆破成功，炸開城門後衝入城內。經過三個多小時的激戰，第十師部隊全殲城內的國民黨守軍3200多人，解放了這座古城。
興城解放後，蔡正國顧不得休息，就投入了下一步作戰的準備之中。10月12日，東北野戰軍第二兵團司令程子華考慮到四縱第十二師自10月10日塔山阻擊戰開始以來一直擔任正麵阻擊任務，戰鬥傷亡減員很大，決定調第十師二十八團接替十二師負責防守塔山以東陣地。
10月13日，剛從華北海運到葫蘆島的國民黨精銳部隊——九十五師投入戰鬥，該師號稱“趙子龍師”，揚言：″沒有趙子龍拿不下的陣地″。麵對著敵軍的強大攻勢，第十師二十八團毫無畏懼，沉著應戰，打退了敵人一次又一次的進攻，戰鬥打得十分殘酷。敵人在督戰隊的威逼下，不顧死活的向我陣地推進，使堅守在陣地上的二十八團傷亡很大，有一個排在僅剩下9個人的情況下仍堅守陣地。蔡正國師長打電話向第四縱隊指揮所報告前沿戰鬥情況時說：“二十八團打得非常英勇，情況是很嚴重的，我們……”說到這裏，電話裏傳出了連續不斷的轟響，敵人的炮彈就在師指揮部附近爆炸了，縱隊司令吳克華立即指示：“要告訴同誌們，一定要死守陣地……”沒等吳司令員把話說完，電話就不通了。等到過一會兒電話再次接通時，蔡正國已經到了前沿陣地指揮作戰，縱隊政委莫文驊對十師政委李丙令說：“告訴蔡師長，一定要死守，敵人打到哪裏，哪裏就是第一線，一步不能退！”
14日，接替二十八團的十師三十團麵對著敵人更加強大的攻勢，以堅強的意誌死守塔山，在當天擊退了九十五師兩次大規模衝鋒、八次連續衝鋒，打掉了敵軍的銳氣，而我軍的塔山陣地卻寸土未失。戰鬥結束後，蔡正國麾下的十師二十八團榮獲“守備英雄團”的榮譽稱號。
遼沈戰役後，蔡正國擔任東北野戰軍第四十一軍一二一師師長、四十一軍副軍長，參加了平津戰役，並隨部隊打過長江，取得了衡寶戰役和廣西橫縣以東戰鬥的勝利，接著又追殲殘敵，強渡瓊州海峽，於1950年4月解放海南島。
朝鮮戰爭爆發後，蔡正國奉命率四十一軍抗美援朝。入朝參戰不到10天，四十一軍就取得了溫井戰鬥的勝利。1951年3月中旬，誌願軍五十軍軍長、國民黨起義將領曾澤生回國休養，中央軍委任命蔡正國擔任五十軍代理軍長。不久，蔡正國指揮全軍參加了著名的朝鮮漢江南岸阻擊戰，堅守防地五十晝夜，勝利地完成了任務。
正當蔡正國準備發揮軍事指揮才能，在朝鮮第五次戰役中大顯身手時，1953年4月12日晚9時，五十軍軍部所在的一棟磚瓦結構民房遭到美軍飛機轟炸。當時，正在軍事會議上講話的蔡正國頭部、胸部多處中彈，由於失血過多，於當晚10時與世長辭，時年僅44歲。
五十軍軍部被炸事件震驚了中南海。已經回國任職的彭德懷接到電報後，驚得說不出話來。4月13日中午，正在午休的毛澤東，被機要秘書葉子龍叫醒，在看了誌願軍總部發來的電報後，毛澤東神情有些木訥的站著，好一陣才說：“蔡正國，蔡正國，不幸殉國，又折我一員驍將！”蔡正國是朝鮮戰爭中誌願軍犧牲的最高級指揮員，也是建國後唯一在前線犧牲的正軍級將領。他的不幸犧牲，也震動了朝鮮的黨政軍領導人，金日成為蔡正國追授了“自由獨立二級勳章”與“朝鮮一級國旗勳章”。蔡正國將軍的遺體被運回沈陽，安葬在抗美援朝烈士陵園，蔡正國犧牲時所穿帶有彈洞的血衣也在陵園內的紀念館中陳列，供後人緬懷。