廖耀湘兵团被歼后，卫立煌匆忙从沈阳乘飞机逃走，以第八兵团司令官周福成统一指挥第五十二军两个师、整编第二○七师两个旅、新一军一个师及4个守备总队（相当于师）、3个骑兵旅之残部和一部分地方保安部队，约14万人，妄图继续顽抗，或伺机经营口从海上逃跑。为了全歼该敌，中央军委于10月27日午夜电示东北野战军：“当面敌人解决后，望以有力兵团（不少于三个纵队）星夜兼程东进，渡辽河，歼灭营口、牛庄、海城一带之敌，阻塞敌人向海上的逃路。”“如果在目前数日内，沈阳一带敌军已经或正在向营口逃跑，则你们全军须迅速向营口、海城方向进击。”
遵照军委的指示，东北野战军首长当即令铁岭附近地区之第十二纵队除以一部围歼铁岭地区的敌第五十三军的第一一六师外，主力会同开原地区的5个独立师、内蒙古军区骑兵第二师和辽西战场上的第一、第二纵队，以及本溪地区之独立第十四师等部向沈阳急进；第七、第八、第九纵队和独立第二师、内蒙古军区骑兵第一师向鞍山、辽阳、海城、营口急进；并令辽南军区部队立即在辽河上设法架桥，准备主力东渡。
10月31日，第一、第二纵队经新民、巨流河进抵沈阳西郊，会同已进至沈阳以南苏家屯的第十二纵队和进抵沈阳北郊、东郊的6个独立师包围了沈阳。11月1日，我军发起总攻，在我军政治争取下，守敌纷纷投降。2日，我解放东北最大工业城市沈阳，歼敌13.4万人，俘虏周福成。
与解放沈阳的同时，第七、第八纵队和独立第二师等部于10月31日解放辽阳、鞍山、海城，直逼营口。同日，第九纵队进抵营口近郊，11月1日晚，突入市区，2日，在独二师协同下，解放营口，共歼敌1.4万余人。敌第五十二军军部率1个师万余人乘船逃走。至此，辽沈战役胜利结束。
锦西、葫芦岛之敌在我围歼廖耀湘兵团时，未敢北援，沈阳解放后，干11月9日经海上撤向关内。10日，我军占领锦西、葫芦岛，歼敌后卫一部。12日，我军收复承德。至此，东北全境和热河均获解放。
东北人民为了取得东北解放战争的最后胜利，在中共东北局的领导下。掀起了支援前线的热潮。据不完全统计，参加支前的民工达160万人，其中由省、专区、县级负责同志率领，经常在前线参战的即有9.6万亲人，由后方运送前线的粮食7000万斤，为战役的胜利作出了重大贡献。
辽沈战役，是对解放战争的进程具有决定意义的三大战役中的第一个战役。在这个战役中，东北我军经过52天的连续作战，以伤亡6.9万人的代价，取得了歼敌1个“剿匪”总司令部、4个兵团部、11个军部、33个整师，连同其它部队共47.2万余人，解放东北全境的伟大胜利。从此，东北野战军成了我军一支强大的战略预备力量。这个战役的胜利，加上当时其他战场上我军的胜利，使敌我力量对比发生了根本的变化。敌军总兵力已下降到290万人，由长期的优势转为劣势。我军的总兵力增长到300余万人，由长期的劣势转为优势。11月14日，毛泽东在《中国军事形势的重大变化》一文中指出：“这样，就使我们原来预计的战争进程，大为缩短。原来预计，从一九四六年七月起，大约需要五年左右时间，便可能从根本上打倒国民党反动政府。现在看来，只需从现时起，再有一年左右的时间，就可能将国民党反动政府从根本上打倒了。”
辽沈战役之所以能在不足两个月的时间内取得如此巨大的胜利，就战役的组织指挥而言，主要是正确掌握和处理了以下几个关键问题：一、制定并贯彻了以主力南下北宁线，“封闭蒋军在东北加以各个歼灭”的正确方针，使卫立煌集团完全陷入我军的大包围中而无法逃脱被歼的命运，二、集中两倍半于敌的优势兵力，迅速坚决地攻下了战略枢纽锦州城，使我军确实控制了北宁路，并有效地调动了沈阳之敌出援；三、根据沈阳援敌极怕远出被歼的心理和我军攻克锦州后便于转移主力围歼援敌的意图，在攻锦州的同时，恰当地选定了阻击沈阳援敌的阵地并部署了兵力；四、在合围廖耀湘兵团的同时，乘敌混乱，猛烈进行穿插分割，并首先歼灭了敌兵团部，使敌来不及收缩集结而陷入更大的混乱中，造成了我军短短两天中歼敌10万，包括敌两个精锐主力军在内的有利态势；五、乘攻克锦州、和平解放长春、迅速全歼廖耀湘兵团的余威，我军以最快的动作，多路向沈阳疾进，迫使沈敌既无法组织有效防御，又无时间经营口撤退而迅速就歼。
在东北野战军举行辽沈战役期间，华北军区第二、第三兵团遵照中央军委的指示，为钳制傅作义集团，策应东北野战军的作战，并夺取绥远，进行了察绥战役。9月上旬，第二兵团首先向平古路南段和北平以北山区积极活动，至24日，歼敌3000余人，吸引了敌人3个军、10个师于自己周围。在第二兵团掩护下，第三兵团和北岳军区部队于9月5日由涞源、易县地区向绥远进击。23日至27日，在晋绥军区第八纵队等部的配合下，连克集宁、丰镇、凉城、和林、清水河等城，歼敌5000人，解放了绥东、绥南广大地区，并包围了归绥。
傅作义发觉我第三兵团西进后，深感其后方受到严重威胁，急忙从张家口、北平等地抽调步、骑兵共10个师组成西进兵团，驰援归绥。28日，敌先头1个军又4个师进抵集宁东北的马连滩、台基庙、玫瑰营地区。第三兵团除留一部继续监视归绥的敌人外，主力移至丰镇以西、以北，卓资山以东地区休整待机。30日，敌重占集宁。
第二兵团为调动敌西进兵团回援，策应第三兵团作战，于9月27日开始，向平古铁路和平张铁路沿线发动攻势，至10月15日，相继攻克崇礼、尚义等城和通县以东的燕郊、白庙及平张铁路沿线的沙城、土木、八达岭等敌据点数十处。在敌西进兵团开始回援后，第三兵团即于10月12日开始向绥西、绥北横扫，至23日，先后攻占陶林、武川、和林、萨拉齐、包头等城镇，接着，主力东转，于11月5日再次包围归绥。这时，辽沈战役胜利结束，为抑留傅作义集团于平津地区，以便协同东北野战军主力入关歼灭该敌，第三兵团遵照军委指示，于15日撤围归绥，转移至卓资山、集宁、丰镇地区休整，战役结束。此役，华北第二、第三兵团共歼敌2万余人，解放了绥远和察北广大地区，钳制了傅作义集团，使其不能大量抽兵增援东北。胜利完成了配合东北野战军作战的任务。
