毛泽东、林彪等人在商讨围歼廖耀湘兵团时，就对歼灭沈阳之敌作了考虑。当时估计有两种可能：一是沈阳之敌增援廖耀湘兵团；二是沈阳之敌撤逃营口。
然而，我军辽西围歼战打响后，沈阳守敌不仅未增援辽西，也未向营口撤逃，反而令廖耀湘兵团向沈阳撤退，令已占领营口的52军回援沈阳。这为我军歼灭廖耀湘兵团后攻歼沈阳之敌准备了时间。
10月27日，林彪在辽西围歼战即将结束时，即部署1纵、2纵于28日向沈阳急进，准备攻歼沈阳敌军。按照林彪的部署，1纵、2纵会同从长春南下的12纵和辽南独立师攻歼沈阳之敌。
在我军主力围歼廖耀湘兵团时，12纵和辽南独立师为牵制沈阳之敌，进抵沈阳地区。据原国民党新1军53师师长许赓扬回忆：“长春解放以后，辽北方面的解放军立即全部南下，向沈阳急进，约在10月26日先头部队已到达沈阳郊区。那时在沈阳城东北方向仅有刚刚到达的第207师一个团的兵力，仓促进入阵地担任防御，以致防线被突破，一部分解放军突进到山咀子、山梨红电附近。沈阳城顿呈紧张，卫立煌更是恐慌万分。”（许赓扬：《辽沈战役亲历记》，第445页）
11月1日拂晓，我军向沈阳发起总攻！
1纵进攻的大炮一响，就打上了守敌主力207师一部。敌207师豁命死守，重炮还击，坦克拦截。李天佑见主攻方向受阻，竟把纵队指挥所设在了向铁西区方向进攻的9团团部，冒着枪林弹雨亲临一线指挥部队猛打猛冲，终于冲垮了守敌的第一道防线。上午10时，1纵向沈阳城内进击。
2纵在拂晓前，顺利地突破了守敌的第一道防线，从铁西区由西北向东南纵深进击。
当1纵、2纵从铁西区突破后，12纵也从城南杀开了一条血路，逼进城内。
市区的国民党军望风而逃，到处是成帮结队的溃兵，或打着白旗，或脖子上缠着红布带，主动打听解放军的位置，要求投降。一些军官则开着吉普车满城乱转，找解放军的兵营受降。
11月1日中午，解放军打到银行大楼。周福成率第8兵团机关300多人正式投降。第2纵队司令员刘震让周福成命令仍在顽抗的青年军207师投降。
207师在东大营和乔家窝棚已经顽抗了两昼夜，他们对周福成的命令置若罔闻。刘震气得大吼：“坚决彻底歼灭它！”
11月2日，青年军207师在我优势兵力和火力的打击下，终于遭到覆灭的下场。至此，沈阳全部解放，13万国民党守军被全歼。