東野隨即展開了對廖耀湘兵團的大圍殲，采取邊合圍，邊分割、邊殲滅的戰法，並直搗其指揮中心。韓先楚的第3縱隊僅用3個小時，便一舉端掉了廖耀湘的兵團指揮部和新1軍、新6軍、新3軍軍部。廖耀湘10萬人馬群龍無首，亂成一團。廖耀湘急得用明語呼叫：“部隊到二道崗子集合！”林彪立即下令：以亂對亂，哪裏有槍聲就往哪裏打，並命部隊到二道崗子去抓廖耀湘。至10月28日拂曉，遼西會戰結束，廖耀湘西進兵團所屬新1軍、新6軍、新3軍、第71軍和第49軍共計5個軍12個師10萬餘人全部被殲滅，兵團司令廖耀湘中將、新6軍軍長李濤中將、第71軍軍長向鳳武中將、第49軍軍長鄭庭芨中將被俘。新1軍軍長潘裕昆和新3軍軍長龍天武隻身逃回沈陽。
26日，當蔣介石在北平得知廖耀湘兵團在遼西走廊遭到解放軍圍殲時，在日記中寫道：“東北全軍，似將陷於晝黑之命運，寸中焦慮，誠不知所止矣。”
遼西會戰正酣時，林彪就已在部署下一步戰事了。10月26日，命令鍾偉第12縱隊和5個獨立師及1個騎兵師，由長春星夜兼程南下，切斷沈陽之敵的退路。28日，命令遼寧軍區迅速占領遼河渡口，架橋準備大軍過河進軍沈陽。
10月27日，蔣介石將杜聿明召到北平，商討對策。蔣起初還想調海軍運輸艦將葫蘆島的部隊海運營口登陸策應廖兵團從營口撤退。杜認為要將葫蘆島的部隊運到營口，至少也要一個星期。在這一周內，廖耀湘要是存在的話，就可以自己打出來退到營口，否則一兩天就完了。再把葫蘆島的隊伍調去，等於白白送死。他建議蔣介石趕快調船把營口的部隊撤退。蔣最後同意調船撤離營口的第52軍，同時命周福成指揮第53軍、第6軍207師死守沈陽，並派杜聿明到沈陽召集周福成等部署沈陽防務。當天中午，杜聿明由北平飛沈陽，途中命令錦西各部隊停止攻擊，退回錦西既設陣地，嚴防解放軍反攻。晚上，杜聿明飛到沈陽，與衛立煌研究如何鞏固沈陽防務或撤退營口。衛這時心緒繚亂，坐臥不安，隻是重複地說：“我早就向他（指蔣介石）說，出了遼西走廊就會全軍覆沒，他不相信，我畫個十字，他也不信。現在你看我說中了罷！”又說：“從前我要守，他不肯守，現在什麼也沒有了，如何守法呢？”杜問衛：“退營口怎麼樣？”衛說：“長春敵人幾個縱隊已南下，退出去也馬上完蛋。”杜聿明也覺得的確是退守兩難，隻有照蔣介石的命令，叫周福成指揮現有部隊死守沈陽。第二天，杜聿明回到葫蘆島，著手部署撤退營、葫的部隊。衛立煌見大勢已去，於30日乘飛機離開沈陽。
圍殲廖耀湘兵團之戰，東北野戰軍實施大膽滲透和穿插，不僅使廖部建製大亂，自己的建製也跑亂了。各師、團單獨作戰，窮追猛進，哪裏有槍聲就往哪裏打。至28日遼西會戰結束時，各縱隊已無法集結，師、團位置極為分散。劉亞樓急得望著各縱、各師位置的地圖直撓後腦勺。羅榮桓焦急地說：“部隊建製大亂，不利於統一行動。沈陽之敵眼看要向營口跑。”林彪抓了一把抄黃豆，不動聲色地說：“亂就亂吧，下道命令，全軍向沈陽進發，同時傳達縱隊和師、團，乃至營、連，不必集結，部隊從原地出發。”
東野各部隊迅速向沈陽兼程前進。10月31日，完成了對沈陽的包圍。11月1日拂曉，對沈陽發起攻擊。當天中午，第8兵團司令周福成和他的300名衛隊在銀行大樓放下武器。隻有戴樸率第6軍207師頑強抵抗，但很快被解放軍消滅。至10月2日，沈陽全城為解放軍占領。同日，解放軍攻占營口，除劉玉章率第52軍軍部及所屬第25師等幾千人乘船從海路撤逃外，其餘14000餘人全部被殲。至此，遼沈戰役結束。11月8日，國軍東進兵團5個軍12個師在杜聿明指揮下，由葫蘆島乘船撤逃。其中，原華北的第62軍、92軍及第95師撤往秦皇島，其餘第37軍，52軍及54軍撤至上海、南京。
遼沈戰役自9月12日至11月2日，曆時52天，東北野戰軍以傷亡6.9萬人的代價，殲滅國軍47.2萬餘人，其中斃傷國軍官兵5.68萬人，俘虜32.43萬人，反正及投誠6.49萬人，起義2.6萬人，俘虜國軍少將以上高級軍官186名。國軍共損失1個東北“剿匪”總司令部，1個東北“剿總”錦州指揮所，1個冀遼熱邊區司令部，4個兵團部、11個軍部和36個師。此外，還有1個騎兵司令部，5個炮兵團、戰車團等特種兵部隊。損失各種火炮4709門，輕重機槍13347挺和其他槍支175361支。
林彪指揮共產黨軍隊在東北黑土地上與國民黨軍隊較量3年，相繼殲滅國軍杜聿明、陳誠、衛立煌三員名將麾下108萬兵力，解放東北全境，使得共產黨手中有了一個資源雄厚的戰略區和一支實力強大的戰略預備隊。11月3日，中共中央電賀東北野戰軍：“熱烈慶賀你們解放沈陽，全殲守敵，並從而完成解放東北全境的偉大勝利。在3年奮戰中殲滅敵人100餘萬，終於解放了東北三省的全部土地和3700萬同胞，奠定了數年內解放全中國，然後將中國逐步建設為工業國家的鞏固基礎。中國共產黨中央委員會謹向全東北軍民表示感謝和敬意……”