陳明仁在抗戰時期以能打勝仗而聞名於世，日本人守城很有辦法，陳明仁為克敵製勝，曾下很大工夫研究日軍的各種攻守戰術。現在陳明仁想借日軍守城方法來對付共軍。當然，林彪對蔣軍的各種戰術，也是了如指掌，但他沒料到陳明仁會拋棄蔣軍的傳統戰術，搞日本人的那一套。恰好林彪在抗日時期沒有打過攻堅戰，對日軍守城戰術沒見識過。仍然沿用舊的戰術，首先分兵攻打四平周圍城鎮，沒有在懷德戰鬥之後，乘勝趁虛攻取四平，這給了陳明仁20天時間，蔣軍第七十一軍不僅恢複了元氣，而且比以前更難對付了。6月14日，民主聯軍徹底掃清了四平外圍據點，林彪才從雙城總部趕到四平城下親自指揮攻城。原定時間為當日下午2時，因天下傾盆大雨，直至黃昏雨才停止，晚8時才發起總攻。
蔣介石接到陳明仁的告急電報，異常震驚，因為民主聯軍圍攻四平有十幾萬兵力，而陳明仁守軍隻有兩萬多人，且大部為戰鬥力較弱的地方保安部隊。同時，四平戰略地位極為重要，蔣介石擔心四平失守，長春、吉林必將孤立，後果不堪設想，乃電令杜聿明要他在6月30日以前，必須解四平之圍。此時，杜聿明正在病中，他將鄭洞國召到沈陽，傳達蔣介石的電令。鄭洞國說：“光亭兄，校長命我們6月30日前解四平之圍，如果沈陽部隊傾巢而動，南滿共軍乘虛而入，威脅沈陽……”杜聿明很同意地說：“是呀，我們必須先掃清本溪共軍，確保沈陽安全，才能北上解四平之圍。我身體不行，想讓你幫我挑著這副擔子，先南後北，擊潰本溪共軍後北上夾擊四平共軍。”鄭洞國說：“此計雖妙，但關鍵在於陳明仁能不能支撐到6月27日。否則，形勢就會急轉直下，全局危矣！”杜聿明無可奈何地說：“也隻能背水一戰啦！賭注就押在陳明仁身上，成敗在此一舉。”
6月20日，鄭洞國親率第五十三軍主力，經過激戰攻占了南滿共軍四縱守衛的本溪，鞏固了沈陽門戶。隨後，鄭洞國來到鐵嶺部署兵力，開始北上解四平之圍。此時，孫立人也率新一軍主力由長春南下，配合鄭洞國南北夾擊，與共軍主力決戰四平城下。
這時，四平戰鬥正酣。按林彪的計劃，必須在2至5天內拿下四平。總攻的第一天，便迅速突破四平城牆，衝入市區。但三五天過去了，四平仍在激戰，到處是槍炮聲，到處是白刃格鬥。林彪著急了，讓參謀長劉亞樓密切關注並嚴厲督促部隊作戰。在嚴厲的命令下，幾支攻擊部隊，如鋼刀般插入蔣軍核心工事大紅樓。這個蔣軍的支撐點，居高臨下，控製著周圍幾條大街，是堅守中長路的屏障；它的各個窗口都架著輕重機槍，周圍遍布暗堡，樓頂有堡壘，地下室有策應火力點。守軍是七十一軍的精銳特務團，團長是陳明仁胞弟陳明信。衝鋒的戰士一批批地倒在樓前，爆破手不是犧牲就是受傷。一名戰士決定用60炮朝樓窗打，勇士們乘著射入窗口炮彈的濃煙，躍過馬路，轟開樓門，衝進大樓。
大紅樓是座龐大建築物，像一個“田”字形，中間不少小天井，天井裏修上碉堡，還有60炮陣地。民主聯軍“頑強衝殺連”，這次衝入大紅樓的小部隊，全連能戰鬥的越來越少，最後隻剩下13人，除衛生員外，都負傷二三次或四五次，但仍堅持戰鬥。當蔣軍的汽油庫被打著火，熊熊烈火向整個大樓擴展，進攻的民主聯軍部隊攻進來後，才完全攻占了大紅樓。攻下蔣軍七十一軍軍部大紅樓後，乘勝擴大戰果，又攻下省政府、彈藥庫、兵站車站等戰略要點，進而攻占整個鐵路西區，連陳明信也當了俘虜。陳明仁率殘部繼續堅守鐵路東地區，眼看兩萬多守軍已傷亡過半，陳明仁電告杜聿明準備“以身殉國”。