遼西地區包括瀋陽以西各縣和錦州南北地區。其間有遼河、巨流河、柳河、繞陽河、沙河、大凌河、女兒河，南北縱橫，流向多變，河水多淤泥，難以徒涉。黑山至溝幫子之間，有由東北向西南走向的山地丘陵。北寧與大（虎山）鄭（家屯）兩條鐵路，從這裡狹長的丘陵中間穿插而過。位於兩線交界處的黑山、大虎山兩點，北臨高程千餘米的醫巫閭山脈，南接連綿50公里的沼澤地帶，如兩扇鐵門，開則暢通，閉則堵塞。東北野戰軍同廖耀湘兵團首先就在這一地區展開激烈的會戰。
廖耀湘第9兵團，是蔣介石的看家本錢。其中有國民黨軍的五大主力，新編第1軍和新編第6軍全是美械裝備。蔣介石為保存這支主力，想讓他們撤出東北準備轉進於華北或中原戰場未成。
10月21日，廖耀湘指揮第71軍兩個師、新1軍1個師、新6軍1個師及整編第207師第3旅共5個師的兵力，由彰武、新立屯地區南下。23日在200餘門重炮、裝甲部隊和數十架飛機支援下，向黑山、大虎山25公里正面弧形的野戰軍陣地展開猛攻，企圖奪取黑山、大虎山間約9公里的南下通道。
已於10月上旬進入陣地待機的東北野戰軍第10縱隊、第1縱隊第3師和騎兵第1師等部，以與陣地共存亡的決心，進行頑強抗擊，寸土必爭。黑山以東高家屯、101高地、92高地和石頭山一線的第10縱隊28師陣地戰鬥異常激烈。在101高地上，該師與敵短兵相接，反覆拼刺刀，終於打退被敵稱為「黨化部隊」的國民黨第207師和王牌主力新6軍的猛烈進攻。
堅守92高地的分隊，與敵浴血奮戰，最後全部犧牲。在大虎山南側，大小白檯子、孫屯、趙家窩棚等處，先期趕到的第8縱隊22師等部隊，也頑強地抗擊敵軍的進攻。國民黨軍多次以整團、整營的兵力反覆進行集團衝擊，均未能得逞。
經過5天激戰，野戰軍終於守住黑山、大虎山陣地，阻住廖耀湘兵團前進。黑山阻擊戰的勝利，為野戰軍主力回師圍殲廖耀湘兵團贏得寶貴的時間。
廖兵團連日進攻受挫，而東北野戰軍主力已回師到達黑山附近地區，使廖耀湘動搖了攻佔黑山、大虎山的信心。同時，自遼陽、鞍山南撤的國民黨軍第52軍兩個師已於24日搶佔營口，後續部隊也已佔領鞍山、遼陽，打通了瀋陽至營口的通道。廖耀湘在這種情況下，遂決定放棄沿北寧線正面進攻的計畫，改由黑山、大虎山以東地區，經台安渡遼河向營口撤退。10月25日，廖耀湘兵團除以新6軍、第207師第3旅和第71軍繼續攻黑山以作掩護外，以其第49軍、第3軍第14師、新6軍騎兵部隊為先頭，經大虎山以東向營口方向迅速撤退。
為粉碎廖耀湘兵團南逃營口的企圖，東北野戰軍立即命令第7、8、9縱隊從右翼迂迴到廖耀湘兵團側後，與第5、6縱隊從左翼對敵實施鉗形夾擊。命令第1、2、3、10縱隊從正面突擊，採取邊合圍、邊分割的手段，求殲敵人。命令獨立第2師向台安以北地區急進，斷敵退路。當國民黨第49軍等部進至台安西北魏家窩棚、六間房等地時，遭到第8縱隊23師和奉命由盤山北進的獨立第2師的突然截擊，雙方遭遇後展開激戰，從早晨打到黃昏，廖兵團雖多次衝擊，均被野戰軍擊退。隨後野戰軍右路大軍陸續及時插入大虎山、台安之間，堵住了廖耀湘兵團南北的通路，在野戰軍堅決打擊下，廖兵團不得不停止前進。
廖耀湘南撤受阻，他估計退往營口的路已被切斷，於是改變計畫，急令各軍分頭向瀋陽方向撤退。這時一直主張固守瀋陽的衛立煌極力組織配合，命令留守在遼河東岸的新1軍，暫編第513師進佔台安、卡力馬一線，搜集船隻，並命令工兵在遼河上架橋接應。但為時已晚。第6縱隊已於25日夜進至北寧線之厲家窩棚、姚家窩棚一帶；第5縱隊於26日凌晨進至二道境子、鄭家窩棚之線，截斷廖兵團向新民、瀋陽的退路。
26日拂曉，東北野戰軍展開對廖兵團大規模圍殲戰。各部隊按預定計畫，在黑山以東、大虎山東北、繞陽河以西、無梁殿以南、魏家窩棚以北縱橫約120平方公里的區域內，乘敵混亂之際開展向心突擊。第1、2、3、10縱隊，第6縱隊17師和炮兵縱隊主力由黑山正面自東向西突擊；第7、8、9縱隊由大虎山以南，自南向北突擊；第5、6縱隊跨北寧線，由二道境子繞陽河以東向西突擊。
各縱隊發揚高度的機動作戰精神和戰鬥積極性，不怕疲勞，不怕傷亡，大膽插入廖耀湘兵團各部隊之間，打亂敵人的部署。當晚，第3縱第7師攻佔胡家窩棚，在混戰中一舉摧毀廖兵團指揮所。接著，敵各軍各師指揮機構也相繼被摧毀。廖耀湘等指揮官無法掌握部隊，不得不夾在潰兵中東奔西突。
野戰軍乘機向敵縱深勇猛穿插，實施分割圍殲。
一時，遼西戰場上，到處呈現壯觀無比、動人心弦的殲敵場面。各縱隊積極主動尋敵作戰，廣大指戰員發揚英勇果斷和靈活機動的戰鬥作風。哪裡有槍聲就朝哪裡追，哪裡有敵人就向哪裡攻擊，爭先恐後地抓俘虜。在東北野戰軍強大的攻勢面前，國民黨軍已無法組織抵抗，紛紛投降。
28日拂曉，遼西會戰勝利結束，在短短兩天中，東北野戰軍全殲廖耀湘兵團5個軍、12個師（旅）及特種兵部隊共10萬餘人，其中包括被稱為國民黨軍「五大主力」的新1軍和新6軍。俘獲國民黨軍第9兵團司令官廖耀湘、新6軍軍長李濤、第71軍軍長向鳳武、第49軍軍長鄭庭笈、新1軍副軍長文小山等高級將領。從而取得了遼瀋戰役的決定勝利。至此，遼瀋戰役第二階段結束。
同日，中共中央和毛澤東向林彪等人電賀遼西大捷，稱讚這一勝利對於全國戰局貢獻極大。尚望激勵全軍，再接再厲，為全殲東北國民黨軍，解放瀋陽而戰！