毛澤東、林彪等人在商討圍殲廖耀湘兵團時，就對殲滅瀋陽之敵作了考慮。當時估計有兩種可能：一是瀋陽之敵增援廖耀湘兵團；二是瀋陽之敵撤逃營口。
然而，我軍遼西圍殲戰打響後，瀋陽守敵不僅未增援遼西，也未向營口撤逃，反而令廖耀湘兵團向瀋陽撤退，令已佔領營口的52軍回援瀋陽。這為我軍殲滅廖耀湘兵團後攻殲瀋陽之敵準備了時間。
10月27日，林彪在遼西圍殲戰即將結束時，即部署1縱、2縱於28日向瀋陽急進，準備攻殲瀋陽敵軍。按照林彪的部署，1縱、2縱會同從長春南下的12縱和遼南獨立師攻殲瀋陽之敵。
在我軍主力圍殲廖耀湘兵團時，12縱和遼南獨立師為牽制瀋陽之敵，進抵瀋陽地區。據原國民黨新1軍53師師長許賡揚回憶：「長春解放以後，遼北方面的解放軍立即全部南下，向瀋陽急進，約在10月26日先頭部隊已到達瀋陽郊區。那時在瀋陽城東北方向僅有剛剛到達的第207師一個團的兵力，倉促進入陣地擔任防禦，以致防線被突破，一部分解放軍突進到山咀子、山梨紅電附近。瀋陽城頓呈緊張，衛立煌更是恐慌萬分。」（許賡揚：《遼瀋戰役親歷記》，第445頁）
11月1日拂曉，我軍向瀋陽發起總攻！
1縱進攻的大炮一響，就打上了守敵主力207師一部。敵207師豁命死守，重炮還擊，坦克攔截。李天佑見主攻方向受阻，竟把縱隊指揮所設在了向鐵西區方向進攻的9團團部，冒著槍林彈雨親臨一線指揮部隊猛打猛衝，終於衝垮了守敵的第一道防線。上午10時，1縱向瀋陽城內進擊。
2縱在拂曉前，順利地突破了守敵的第一道防線，從鐵西區由西北向東南縱深進擊。
當1縱、2縱從鐵西區突破後，12縱也從城南殺開了一條血路，逼進城內。
市區的國民黨軍望風而逃，到處是成幫結隊的潰兵，或打著白旗，或脖子上纏著紅布帶，主動打聽解放軍的位置，要求投降。一些軍官則開著吉普車滿城亂轉，找解放軍的兵營受降。
11月1日中午，解放軍打到銀行大樓。周福成率第8兵團機關300多人正式投降。第2縱隊司令員劉震讓周福成命令仍在頑抗的青年軍207師投降。
207師在東大營和喬家窩棚已經頑抗了兩晝夜，他們對周福成的命令置若罔聞。劉震氣得大吼：「堅決徹底殲滅它！」
11月2日，青年軍207師在我優勢兵力和火力的打擊下，終於遭到覆滅的下場。至此，瀋陽全部解放，13萬國民黨守軍被全殲。