10月17日，被长久围困的长春守敌一个军宣告起义；19日，包括一个兵团部又一个军的守敌余部全体投降。曾经是伪满洲国首都的长春获得解放。
我军在锦州、长春的得手，证明了毛泽东关于南下北宁线指示的正确性。对于毛泽东惊人的预见和出神入化的谋略，林彪不得不再一次折服。
10月20日，毛泽东致电林彪，指出：在敌人“西进兵团没有向沈阳撤退，反而由新立屯、彰武地区西进的情况下，放弃攻打锦(西)葫(芦岛)的计划，改打廖耀湘兵团，这一点我们和你们一致。”21日，从沈阳出动后一直迟疑逡巡的敌军“西进兵团”即廖耀湘兵团由彰武南下，从23日开始与我军接触，无论哪个方向都遭到英勇顽强的阻击。在林彪指挥下，攻锦主力，迅猛回师，其他各路也作向心集中，约五十万大军26日将廖耀湘兵团合围在黑山、大虎山的约一百二十平方公里的地域内，展开了前所未有的大歼灭战。
廖耀湘兵团是蒋介石最精锐的王牌部队，主要由新一军和新六军组成。国民党有五大美式机械化主力军，其中新一军和新六军就是其中两支。
也是廖耀湘霉运当头，我三纵一个营摸进胡家窝棚，见这里天线林立，电台“嘀嘀”的声音响成一片，估计大有来头，于是胡乱一阵手榴弹，竟然将廖耀湘的总指挥部炸成一锅粥，几十位高级官员全飞上了天，西进兵团指挥系统全部瘫痪。廖耀湘后来回忆说：“解放军第一棒子即打碎了西进兵团的脑袋，使我感到兵团的命运已处于万分危殆之中!”
包围与反突围，穿插与堵击，追击与逃跑，由于战术动作变化太快，国共双方军队在辽西走廊上搅在一起，全都乱了套。不仅国民党部队兵找不到官，官顾不上兵，解放军的建制也分解成师、团、营。原来林彪所定的斩头断尾击腰的战术无法实施。
刘亚楼建议：“林总，现在战场混乱不堪，像个立体滚筒，全挤到一堆了，不如来个大胆穿插，全面渗透，以乱制乱，乱而取之。”
“太罗嗦了!”林彪来的更干脆：“告诉部队，哪里有枪声就往那里打，哪里枪声密集就往那里冲。纵队不要去找师，师不要去找团，大家都去找廖耀湘就行了。”
一时间，辽西平原烟尘蔽日，吼声震天，几十万大军南北奔逐，鲜血重新浆洗着这片黑土。经过两天一夜的战斗，廖耀湘兵团十余万人全部被歼。
兵败被擒的廖耀湘对林彪的战术十分恼火。他不敢朝林彪撒野，却把邪火对准了刘亚楼。
奉林彪、罗荣桓之命，刘亚楼设宴款待被俘的国民党将领。廖耀湘拒绝与他碰杯，气咻咻地质问道：“你们共军打的什么仗?根本不懂战役，也不讲究战术。如不相信，请转告林彪将军，我们把部队摆开，重新打!”
“不是我们不讲究战术，是你看不懂我们的战术。”刘亚楼话中有话地说：“我们以能打胜仗为原则，以有效地消灭敌人为目的，事实不是已经证明了吗?”
一句话呛得廖耀湘满脸通红，他恼羞成怒，抓住酒杯朝桌子掷得粉碎：“像你这样的‘洋八路’有几个，都是些‘土八路’，用些巫术来打仗。”
刘亚楼睥睨地瞥了他一眼，厉声训斥道：“廖将军，你不要以为自己上过美国军校，又有美械装备，就天下无敌了。这些统统靠不住。告诉你，蒋介石反共反人民，是注定要失败的，你不过是他的殉葬品之一。”
刘亚楼回来把宴会风波讲给司令和政委听，两人都哈哈大笑。林彪说：“他廖耀湘既懂战役，又讲究战术，但进入东北以来打过什么胜仗!”
蒋介石在北平得知廖耀湘兵团覆灭的消息后，气得吐血不止，沮丧地在日记中写道：
东北全军，似将陷入墨尽之命运，寸中焦虑，诚不知所止矣!
11月2日，我军乘胜直下沈阳、营口，历时五十二天的辽沈战役胜利结束。
在辽沈战役中，我军以六万九千人的伤亡，歼敌一个总部、一个边区司令部、四个兵团部、十一个军部、三十三个整师加十六个团(内一个军起义、一个军团部并一个军投诚)，共四十七万人。
辽沈战役是震惊世界的三大战役之首。中共中央接到胜利消息后，马上打电报给林彪等人，电贺东北全境解放。
辽沈战役结束后，林彪一反往日孤僻冷漠的性情，热情洋溢，笑容满面。作为东北战场的最高指挥者，他虽然有南下北宁线的犹豫，顾虑两锦作战的担心，未断海路致敌一部逃跑等失误，甚或还有抵触、对抗军委和毛泽东指示的错误，但作为这场战役的主要组织者、策划者和指挥者之一，他是有功之臣。
九一三事件发生后，毛泽东在一次谈话中也不否认这一点。他认为，在1949年以前，林彪对于中国革命是功大于过。
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