北宁线自北平至沈阳，全长700余公里，沿线有天津、塘沽、唐山、滦县、昌黎、秦皇岛、山海关、绥中、兴城、锦西、锦州等重要城镇，是国民党军华北与东北两大战略集团兵力、物资相互支援和必要时东北卫立煌集团撤退关内的唯一陆上通道。因此，蒋介石视北宁线为东北国民党军的输血管、生命线。
东北人民解放军冬季攻势结束后，北宁线沈阳至锦州段已完全被隔断，锦州至北平段则时断时续。为打通北宁路，确保关内外联系，蒋介石曾多次要求东北“剿总”总司令卫立煌，以沈阳地区主力首先打通沈锦段交通，而后集中主力于锦州地区，以确保锦平段的畅通。遭卫立煌反对后，又指示东北“剿总”副总司令兼锦州指挥所主任范汉杰，“集中力量经营锦州”（《辽沈战役亲历记》（原国民党将领的回忆），第13页），极力维持东北、华北“两个战区接合部的联系”（《辽沈战役亲历记》（原国民党将领的回忆），第63页）。为此，范汉杰作了如下部署：
以第6兵团司令官卢浚泉指挥第93军暂编第18、第22师，新编第8军第88师、暂编第55师及原第60军第184师和新编第6军暂编第62师，共6个师约10万人防守锦州。
以第93军暂编第20师防守义县，新编第8军暂编第54师防守高桥，第54军第8、第198、暂编第57师防守锦西、葫芦岛和兴城，新编第5军第26、暂编第50、第60师防守绥中、山海关、秦皇岛和北戴河之线。
在唐山至昌黎一线，有华北“剿总”傅作义所属第62军等部4个师防守。
1948年9月12日，东北野战军拉开了辽沈决战的序幕，战役首先在北宁线打响。
我第2兵团司令员程子华、参谋长黄志勇指挥第11纵队及冀察热辽军区独立第4、第6、第8师和骑兵师、炮兵旅等部，分由冀东建昌营和热东地区出发，奔袭北宁线滦县至兴城一线守军。至17日，先后攻占石门、安山、昌黎、北戴河等据点，包围了绥中、兴城、沙后所，吸引了锦西、葫芦岛地区国民党军第54军主力向南增援。
与此同时，东北野战军主力南下北宁线。第4、第9纵队分由台安、北镇地区出发，渡大凌河直插锦州以北，迅速切断了义县与锦州的联系，于16日包围了义县。第3纵队、第2纵队第5师及炮兵纵队主力，自西安（西安，旧地名，1952年改称辽源）、四平等地由铁路输送至阜新，而后继续向义县急进，于20日接替第4、第9纵队包围义县。
北宁线作战开始后，国民党军统帅部鉴于过去兵力分散而遭各个歼灭的教训，于9月16日训令卫立煌、范汉杰：“集中力量守锦州、锦西、葫芦岛及秦皇岛、山海关两区。”（郭汝瑰日记，第280页）据此，范汉杰立即收缩兵力，将高桥之暂编第54师撤回锦州；将锦州暂编第62师调至锦西，以确保海路安全；以锦州第93军暂编第22师主力向北增援，以解救义县守军。
为继续吸引范汉杰向南的注意力，不使第54军收缩锦州，东北野战军第4纵队绕过锦州，直插锦西以南，切断了锦西、兴城守军联系。第9纵队向锦州以北逼进，于25日会同自八面城南下进至锦州附近的第8纵队，歼灭增援义县的暂编第22师2个团大部，并占领葛文碑、薛家屯、帽儿山等锦州以北外围阵地。自四平地区南下的第7纵队以一部佯攻锦州以东的紫荆山，主力迂回至锦州以南，在由锦西以南向北调之第4纵队第12师配合下，于27日攻占高桥、塔山和西海口，将锦州、锦西两地完全割裂开来。炮兵纵队和第9纵队炮兵团于28日用炮火封锁了锦州飞机场，并击毁运输机5架，切断了锦州国民党军的空运通道。冀察热辽军区3个独立师在炮兵旅支援下，于同日攻占绥中，歼暂编第60师2000余人。第4纵队于29日攻克兴城，歼第54军直属工兵、运输、骑兵等部队共4000余人。
义县是锦州以北的重要屏障，城高墙厚。守军暂编第20师系半美械装备，依托许多坚固的集团堡垒顽抗。在第3纵队司令员韩先楚、政治委员罗舜初统一指挥下，包围义县的第3纵队、第2纵队第5师和炮兵纵队主力，于9月26日开始义县外围作战，至29日扫清外围据点，逼近城垣，连夜展开大规模土工作业。
10月1日9时30分发起总攻，第2纵队第5师、第3纵队第9师和炮纵主力由城西南方向突击，第8师和炮纵一部由城东北方向突击，第7师为预备队位于松林堡一带。攻城部队在强大的炮火支援下，经4小时激战即攻克义县，全歼守军万余人，活捉暂编第20师师长王世高，创东北野战军“以最短促的时间，攻歼固守坚固工事之敌的新纪录”（“东总”致中共中央军委的电报，1948年10月10日）。
义县战斗中，东北军区炮兵司令员兼炮兵学校校长朱瑞，亲自前往城南突破口观察炮兵射击情况，不幸触雷牺牲，时年43岁。中共中央在唁电中高度评价“朱瑞同志在中国人民解放军的炮兵建设中功勋卓著”。朱瑞是解放战争时期牺牲的人民解放军最高级将领。
至此，东北野战军经过20天作战，相继攻克昌黎、北戴河、绥中、兴城、塔山、高桥、义县等城，歼灭国民党军2万余人，达成了截断北宁线，孤立锦州的战役目的。
与北宁线作战的同时，东北野战军第1、第2（欠第5师）、第10、第5、第6纵队分别进至新民西北、黑山及其东北、法库以南、开原以北和伊通地区待机，监视沈阳地区国民党军；第1兵团司令员肖劲光、政治委员肖华统一指挥第12纵队及6个独立师、内蒙古骑兵第2师，继续围困长春。