正當蔣介石想在東北殺一個回馬槍，然後抽身撤出時，毛澤東也作出了殲滅廖耀湘兵團、攻取瀋陽並防敵從營口撤退的周密部署。
10月19日，毛澤東曾指出，「如蔣介石仍不變更錦、葫、瀋陽兩路向你們尋戰的方針，那就是很有利的。在此種情形下，你們採取誘敵深入，大打殲滅戰的方針，甚為正確」。
20日毛澤東又指出：「你們行動方針已有電示，即不打錦、葫而打廖耀湘。我們完全同意你們建議，如廖兵團繼進，則等敵再進一步進攻之。一經發覺敵不再進，或有退瀋陽營口的象徵時，則立即包圍彰武、新立屯兩處敵人，以各個擊破為方法，以全殲廖兵團為目的，望即本此方針，即刻動手部署，鼓勵全軍達成任務。」
林彪立即定下殲滅廖耀湘西進兵團的決心，令十縱並指揮一縱三師、內蒙騎兵師進至黑山、大虎山一線，組織堅守防禦，阻敵南逃再占錦州；六縱(缺十七師)、五縱進至黑山東北厲家窩棚、姚家窩棚、二道崗子、鄭家窩棚一線，切斷西進兵團向瀋陽的退路；主力一縱(缺三師)、二縱、三縱(加六縱十七師)、七縱、八縱、九縱及炮縱，由錦州地區揮師北上，分頭向遼西急進。
林彪的打法是攔住先頭，截斷後尾，夾擊中間，分割穿插，全殲西進兵團。
同日，林彪、羅榮桓、劉亞樓、譚政頒布了《全殲東北國民黨軍的政治動員令》，指出：東北局勢已發生了新的重大變化，我應趁敵連遭慘敗，極端恐慌混亂，企圖實行東北總撤退的時機，連續作戰，全殲東北之敵。首先抓住瀋陽出來的廖耀湘兵團，與敵決一死戰。此戰我有絕對勝利的把握，我軍必須有連續打勝仗的決心，一口吃掉東北國民黨軍，解放全東北。
林彪還明確指出：這次大會戰決勝的關鍵，在於是否能切斷新立屯、彰武之敵的退路；五縱、六縱、十縱的動作，切不可稍有疏忽和猶豫，要準備冒險、堅決行動採取阻擊先頭、拖住後尾、夾擊中間，不能讓敵人逃走。
十縱司令員梁興初收到「野司」急電：「長春十萬敵軍起義投降，錦州十萬敵軍被殲。瀋陽陷於孤立，廖耀湘兵團有企圖向錦州突圍，與錦西北上之敵會合，妄想奪路逃回關內。令你們即返黑山、大虎山，選擇陣地，構築工事，頑強死守，阻擊敵人，掩護主力到達後，聚殲前進之敵。」
黑山、大虎山，北臨高達千餘米的醫巫閭山脈，南接連綿90餘公里的沼澤地區！北寧和大鄭兩條鐵路、公路從這20里寬的狹長丘陵地帶直穿關內。這寬僅20公里的狹長地區，是瀋陽通往錦州的惟一走廊，是敵人大兵團行動的必經之路。
梁興初把師長、政委們找來說：「要想打好這一仗，不咬咬牙是不行的！現在野司首長在看著我們，各兄弟部隊也在看著我們。打好了，不僅是標誌著東北的全部解放，更重要的是蔣介石的又一個『十萬主力軍』被我們從他的軍簿上一筆勾銷；打壞了，十萬大敵就將逃入關內，對我們整個解放戰爭，又將意味著什麼呢？那隻能說，我們對人民犯下了滔天大罪！大家看，我們現在就站在這樣嚴重的任務面前，我們對待自己，難道還能有其他第二個要求么？沒有了！要求只能是一個，那就是：只准打好，不準打壞！」各師相繼進入陣地。縱隊周赤萍政委前往大虎山觀察三十師防禦陣地。梁興初帶作戰科長到二十八師。
二十八師擔任黑山區防禦，西側是大白檯子，東側是高家屯，為一長達3000米的丘陵地帶。丘陵地帶突出部是其主要陣地——101高地，形勢險要。梁興初登上「101」高地，未預料到竟是一座寸草不生的石頭山。戰士們艱難地挖著、刨著，費盡九牛二虎之力，仍是一鎬一個白點。梁興初和賀慶積師長研究決定，集中全力做好表面工事，用大量土袋、鐵軌，首先修成地面火力點，然後再挖鑿散兵坑，加強陣地的副防禦。
錦州失守，廖耀湘的遼西兵團成了孤懸於瀋陽、錦州的無根浮萍。廖耀湘心慌意亂。如不救出遼西兵團，可能被解放軍分割包圍，全軍覆滅；但遼西兵團「再退回瀋陽」，是慢性的自殺，最後只能如長春一樣。廖耀湘決定由新立屯兵團主力現在地區經黑山、大虎山以東和以南向大窪、營口撤退。
杜聿明、衛立煌都主張退瀋陽。廖耀湘急不可耐，19日晚直接打電報給蔣介石，堅決要求經黑山、大虎山直退營口。20日晚衛立煌由平回沈後，立即打電話給廖耀湘，說蔣介石最後採取退營口的方案，要廖按原定的計畫立即攻擊黑山。
廖耀湘令第七十一軍軍長向鳳武於10月21日拂曉開始攻擊黑山。
攻擊黑山的部署是這樣的：第二○七師的第三旅在兵團直屬重炮掩護下，從胡家窩棚(黑山以東通瀋陽公路上一個村莊)由東向西從正面攻擊黑山；以第七十一軍的兩個師為攻擊黑山的主力，由北向南從黑山以北側擊並包圍黑山。
廖耀湘原以為黑山會很容易得手，沒想到林彪早已在這裡埋伏了一員猛將。
國民黨軍以兩個整營的兵力，向十縱八十二團七連守衛的前哨陣地尖山子發起進攻。七連在連續擊退敵人五次衝擊後，堅持到黃昏，子彈、手榴彈全部打光，最後用石頭擊退敵人，後撤出尖山子陣地。
林彪給梁興初發來電令：「盼你們加強決心，深入動員，務須使敵在我陣地前屍橫遍野而毫無進展。只要你們守住黑山三天，西逃之敵必遭全殲。」
22日，廖耀湘改命新一軍軍長潘裕昆為黑山攻擊指揮官，指揮新一軍和第七十一軍及第二○七師第三旅，繼續進攻黑山。潘建議以該軍新三十師從正面即北面參加黑山之攻擊，以第五十師之一部附該軍的騎兵團從西北面包圍黑山並向黑山以西之正安堡(位於黑山通錦州的公路上)迂迴黑山，以期截斷黑山守軍後方的交通聯絡，特別加強正面與東面進攻部隊的炮火支援，以輕重炮兵的集中轟擊，摧毀黑山守軍之抵抗。
梁興初是員福將，深夜11時，二十八師偵察隊送來「活舌頭」一名，是敵七十一軍八十七師師部的通信班長，衣袋裡裝滿送往各團的「戰鬥命令」。梁興初從中了解到敵人避開黑山正面陣地，將矛頭指向側翼高家屯；高家屯因陣地難修，工事較弱。梁興初親自去二十八師指揮所。指揮所設在城北高地的一個碉堡里。
24日晨6時，4架野馬式敵機，帶著滾雷似的轟隆聲，飛撲黑山城上空。隨著凄厲刺耳的尖嘯，炸彈成串地往下落，黑山城頓時被撕裂開了。與此同時，架設在張家窩棚方向的敵重炮群，也以暴雨般的炮火向高家屯一線遮頭蓋腦地打來。緊張、殘酷的陣地爭奪戰，在高家屯一線激烈地進行著。國民黨「黨化部隊」青年軍二○七師第三旅，擔任對高家屯衝擊的主攻任務。八十四團二營在僅有一個山炮營的炮火支援下，堅守101、92、90等制高點，與敵人展開反覆衝殺，頑強奮戰。
敵人第一次衝鋒被擊退後，旋即以3個營的兵力，發起第三次猛攻。在敵人猛烈炮火轟擊下，山頭工事大部殘破坍塌，人員受到較大傷亡。但是「人在陣地在」的決心，鼓舞著二營戰士。他們不怕煙熏火燒、傷筋折骨，從倒塌的戰壕里紛紛躍起，以突然而又密集的火力，給敵人一次比一次更慘重的殺傷。戰鬥持續到11時，高地前已留下數百具敵軍的屍體。敵人被激怒了，集中所有重炮，向三處陣地暴雨般地傾泄炮彈。以一個半營連續猛攻高家屯石頭山。守軍六連一排在表面工事全被摧毀的石頭山上，以機槍、手榴彈、石塊、木棍，連續擊退敵人三次衝鋒。當敵人發起第四次衝鋒時，陣地上只剩4個人。激戰至14時半，陣地終於被敵人佔據。
敵人很快又聚集一個營的兵力，發起第四次猛攻。此時四連彈盡糧絕，前去增援的六連兩個班在途中遭到炮火轟擊，大部傷亡。團指揮所遂令四連撤出陣地。四連一排有6名戰士未及撤出，陣地即遭敵人突破。一排長李永發為掩護全連撤追，與敵人展開白刃格鬥。他身負三處重傷，仍堅持用刺刀拼倒5個敵人，最後壯烈犧牲。
敵人在佔領92高地後，馬上出動兩個營向101高地衝殺上來。此時101陣地已是彈坑累累，碎石成堆，幾乎所有土木火力點都已坍塌。四、六連余部和營部通信班共20餘人，就在這毫無依託的石頭山上，利用彈坑滾進滾出，以密集的手榴彈連續擊退敵人四次衝擊，敵人不顧傷亡，糾集其殘部以羊群般的隊形，從三面合圍上來。此刻，高地上只剩下5名戰士，手榴彈已全部打光。在一場激烈的肉搏戰後，101高地終於被敵人佔領。
梁興初吼叫：「立即奪回101高地！」
賀師長回答：「堅決執行命令，馬上組織反擊！」
十縱二十八師賀師長沉著和果斷，不給敵人絲毫的喘息機會，立即命令所屬12門山炮，向佔領101高地之敵轟擊，又令八十二團一、三營，統由八十四團團長藍芹指揮，在炮火準備後，立即反擊高家屯。
一營主要突擊101高地，三營兵分兩路，直奔高家屯石頭