北寧線自北平至瀋陽，全長700餘公里，沿線有天津、塘沽、唐山、灤縣、昌黎、秦皇島、山海關、綏中、興城、錦西、錦州等重要城鎮，是國民黨軍華北與東北兩大戰略集團兵力、物資相互支援和必要時東北衛立煌集團撤退關內的唯一陸上通道。因此，蔣介石視北寧線為東北國民黨軍的輸血管、生命線。
東北人民解放軍冬季攻勢結束後，北寧線瀋陽至錦州段已完全被隔斷，錦州至北平段則時斷時續。為打通北寧路，確保關內外聯繫，蔣介石曾多次要求東北「剿總」總司令衛立煌，以瀋陽地區主力首先打通沈錦段交通，而後集中主力於錦州地區，以確保錦平段的暢通。遭衛立煌反對後，又指示東北「剿總」副總司令兼錦州指揮所主任范漢傑，「集中力量經營錦州」（《遼瀋戰役親歷記》（原國民黨將領的回憶），第13頁），極力維持東北、華北「兩個戰區接合部的聯繫」（《遼瀋戰役親歷記》（原國民黨將領的回憶），第63頁）。為此，范漢傑作了如下部署：
以第6兵團司令官盧浚泉指揮第93軍暫編第18、第22師，新編第8軍第88師、暫編第55師及原第60軍第184師和新編第6軍暫編第62師，共6個師約10萬人防守錦州。
以第93軍暫編第20師防守義縣，新編第8軍暫編第54師防守高橋，第54軍第8、第198、暫編第57師防守錦西、葫蘆島和興城，新編第5軍第26、暫編第50、第60師防守綏中、山海關、秦皇島和北戴河之線。
在唐山至昌黎一線，有華北「剿總」傅作義所屬第62軍等部4個師防守。
1948年9月12日，東北野戰軍拉開了遼瀋決戰的序幕，戰役首先在北寧線打響。
我第2兵團司令員程子華、參謀長黃志勇指揮第11縱隊及冀察熱遼軍區獨立第4、第6、第8師和騎兵師、炮兵旅等部，分由冀東建昌營和熱東地區出發，奔襲北寧線灤縣至興城一線守軍。至17日，先後攻佔石門、安山、昌黎、北戴河等據點，包圍了綏中、興城、沙後所，吸引了錦西、葫蘆島地區國民黨軍第54軍主力向南增援。
與此同時，東北野戰軍主力南下北寧線。第4、第9縱隊分由台安、北鎮地區出發，渡大凌河直插錦州以北，迅速切斷了義縣與錦州的聯繫，於16日包圍了義縣。第3縱隊、第2縱隊第5師及炮兵縱隊主力，自西安（西安，舊地名，1952年改稱遼源）、四平等地由鐵路輸送至阜新，而後繼續向義縣急進，於20日接替第4、第9縱隊包圍義縣。
北寧線作戰開始後，國民黨軍統帥部鑒於過去兵力分散而遭各個殲滅的教訓，於9月16日訓令衛立煌、范漢傑：「集中力量守錦州、錦西、葫蘆島及秦皇島、山海關兩區。」（郭汝瑰日記，第280頁）據此，范漢傑立即收縮兵力，將高橋之暫編第54師撤回錦州；將錦州暫編第62師調至錦西，以確保海路安全；以錦州第93軍暫編第22師主力向北增援，以解救義縣守軍。
為繼續吸引范漢傑向南的注意力，不使第54軍收縮錦州，東北野戰軍第4縱隊繞過錦州，直插錦西以南，切斷了錦西、興城守軍聯繫。第9縱隊向錦州以北逼進，於25日會同自八面城南下進至錦州附近的第8縱隊，殲滅增援義縣的暫編第22師2個團大部，並佔領葛文碑、薛家屯、帽兒山等錦州以北外圍陣地。自四平地區南下的第7縱隊以一部佯攻錦州以東的紫荊山，主力迂迴至錦州以南，在由錦西以南向北調之第4縱隊第12師配合下，於27日攻佔高橋、塔山和西海口，將錦州、錦西兩地完全割裂開來。炮兵縱隊和第9縱隊炮兵團於28日用炮火封鎖了錦州飛機場，並擊毀運輸機5架，切斷了錦州國民黨軍的空運通道。冀察熱遼軍區3個獨立師在炮兵旅支援下，於同日攻佔綏中，殲暫編第60師2000餘人。第4縱隊於29日攻克興城，殲第54軍直屬工兵、運輸、騎兵等部隊共4000餘人。
義縣是錦州以北的重要屏障，城高牆厚。守軍暫編第20師系半美械裝備，依託許多堅固的集團堡壘頑抗。在第3縱隊司令員韓先楚、政治委員羅舜初統一指揮下，包圍義縣的第3縱隊、第2縱隊第5師和炮兵縱隊主力，於9月26日開始義縣外圍作戰，至29日掃清外圍據點，逼近城垣，連夜展開大規模土工作業。
10月1日9時30分發起總攻，第2縱隊第5師、第3縱隊第9師和炮縱主力由城西南方向突擊，第8師和炮縱一部由城東北方向突擊，第7師為預備隊位於松林堡一帶。攻城部隊在強大的炮火支援下，經4小時激戰即攻克義縣，全殲守軍萬餘人，活捉暫編第20師師長王世高，創東北野戰軍「以最短促的時間，攻殲固守堅固工事之敵的新紀錄」（「東總」致中共中央軍委的電報，1948年10月10日）。
義縣戰鬥中，東北軍區炮兵司令員兼炮兵學校校長朱瑞，親自前往城南突破口觀察炮兵射擊情況，不幸觸雷犧牲，時年43歲。中共中央在唁電中高度評價「朱瑞同志在中國人民解放軍的炮兵建設中功勛卓著」。朱瑞是解放戰爭時期犧牲的人民解放軍最高級將領。
至此，東北野戰軍經過20天作戰，相繼攻克昌黎、北戴河、綏中、興城、塔山、高橋、義縣等城，殲滅國民黨軍2萬餘人，達成了截斷北寧線，孤立錦州的戰役目的。
與北寧線作戰的同時，東北野戰軍第1、第2（欠第5師）、第10、第5、第6縱隊分別進至新民西北、黑山及其東北、法庫以南、開原以北和伊通地區待機，監視瀋陽地區國民黨軍；第1兵團司令員肖勁光、政治委員肖華統一指揮第12縱隊及6個獨立師、內蒙古騎兵第2師，繼續圍困長春。