10月20日晚上，卫立煌和杜聿明下达了让廖耀湘向黑山攻击的命令，其目的是通过黑山地区的通道向锦州前进。万一锦州去不了，则可向营口前进。21日，廖耀湘命令以七十一军为主力的部队向黑山发起进攻。七十一军是由蒋介石的警卫部队改编的，属于蒋军嫡系，但是并不是廖耀湘的基本部队，所以廖耀湘让其打头阵。七十一军当时的驻地芳山镇距黑山只有30公里。23日，辽沈战役中的又一场恶战，也就是与塔山阻击战齐名的黑山阻击战打响。
黑山和其紧邻的大虎山（或称打虎山，在黑山稍南一点）地区位于新立屯的正南方，是南下营口、西去锦州、东去沈阳的通道，是锦州和沈阳之间的唯一走廊。北边是高达千余米的山脉，南边是连绵90余公里的沼泽水网地带，就只有中间一条宽25公里的狭窄丘陵地带，成为一条走廊。北宁、大郑两条铁路在此穿行而过，公路也在此交会，黑山和大虎山就是这条走廊的闸门，成为进出辽西的一处兵家必争之地。我东北野战军的十纵正在这里准备阻击廖耀湘兵团向营口（锦州）的进攻。
当锦州战役结束之后，东北野战军的参战部队的确是在休整。按照中央的部署，是准备休整之后先打锦西和葫芦岛，先消灭蒋介石用来援助锦州的侯镜如五个师的东进兵团，下一步再来解决蒋介石用来援助锦州的廖耀湘达五个军的西进兵团。可是，长春的六十军起义之后，形势发生了变化，长春肯定立即就会被我军攻克，长春不守，沈阳也就难守，中央判断蒋介石很有可能放弃东北，从东北将其主力撤走，而当时东北最大的蒋军集团就是廖耀湘的西进兵团。10月18日，毛泽东给林彪、罗荣桓电报：
我们所最担心的是沈敌从营口撤退，向华中增援。
提议在日内长春解决后，除留几个独立师监视郑洞国及新七军外，围攻长春的各纵队及几个独立师应迅速全部南下，位于沈阳和营口之间。时间应在11月上旬，过迟则无保障。并须以一个纵队控制营口，构筑坚固阵地，阻绝海上与陆上的联系，使蒋、卫不敢走营口。即使他们走营口，我可先行抗击，以待主力到达聚歼。
上述电报很清楚，毛泽东原来打算是在11月上旬切断蒋军的退路。
可是，由于长春战局的进展迅速，我东北局在哈尔滨的几位领导人高岗、陈云、伍修权等对东北的情况有着更直接的感受，他们在10月17日召开的会议上研究了东北的局势之后认为，东北形势正在急速变化，我军必须以最快的速度跟上这种变化，将工作部署推向最后消灭敌人的新阶段。东北局领导也看到了蒋军很可能要从营口撤退，所以当10月18日长春的国民党新七军放下武器之后，他们一方面电告在前线的林彪、罗荣桓和刘亚楼，一方面向中央报告，同时就安排原来担任围长春任务的十二纵和三个独立师在四平上火车，先至清源（当时火车不能通过沈阳，所以只能从沈阳以东绕道），下车后以急行军直插鞍山、海城，以截断敌人向营口的退路。林彪和罗荣桓完全同意哈尔滨方面的判断和做法，也认为必须立即行动，阻击和包围廖耀湘兵团，否则就可能让敌人跑掉。10月19日，他们向中央连发三封电报，报告战局形势和他们认为应当放弃原定的打锦西的计划，而改为回过头来打廖耀湘。他们在第三封电报中说：
若沈阳之敌仍继续向锦州前进时，则等敌再前进一步后我军再向敌进攻；但有若干征候敌不再前进，或有向沈阳撤退转向营口撤退的征象时，则我军立即迅速包围彰武、新立屯两处敌人，以各个击破方法，将新一、新三、新六、七十一、四十九军全部歼灭，使之不能退回新民、沈阳和退至营口。目前该敌有随时缩回沈阳的可能，故我军须采取迅速行动方针。
盼军委即回电指示。
10月19日这天晚上，毛泽东通宵未眠，先后给林彪、罗荣桓发出四份电报，表示“完全同意你们的建议”，也同意高岗、陈云、伍修权等人的建议，并命令东野“以一、二、三、五、六、七、八、九、十共九个纵队二十七个师全部，分割包围廖兵团五个军十二个师”，“以全歼廖兵团为目的”。
如此重大的会战计划，就这样干脆利落地决定了，从提出建议到中央决策，前后一共只用了三天。
10月20日凌晨4时，东野总部收到了中央的第四封电报之后，立即就进入了又一场大战的紧张准备中。这一天，东野总部发出了号召全军积极行动起来，在东北战局发生重大变化的时刻，与敌决战，全歼东北国民党军队的政治动员令。也在这一天，总部也完成了围歼廖耀湘兵团的具体部署。上午10时，林彪发出了一道道给各部队的作战命令：十纵并指挥一纵三师和内蒙骑兵师，立即进至黑山和大虎山一线布防，坚决阻断敌人南进之路，粉碎敌人进攻锦州或南逃营口的企图。六纵（缺十七师）和五纵进至黑山以北，切断敌人退回沈阳的退路。原来在锦州地区的一纵、二纵、三纵、七纵、八纵、九纵、六纵十七师以及炮纵全部尽可能秘密地挥师北上东进，到辽宁西部地区待命，以备全歼廖耀湘兵团。已由四平南下的十二纵和一兵团的11个独立师不下辽西，而在沈阳地区牵制沈阳的敌人（此时的沈阳还有周福成兵团）。已在南满的独立二师到营口布防，阻止敌人从营口逃跑。已在锦西地区的四纵和十一纵仍然在二兵团的指挥下阻击葫芦岛的侯镜如兵团北上，这其中，要派出几个师天天向西南做战役佯动，沿途有意大张声势，做出要进关的样子，用以迷惑敌人。
上述部署也在20日10时同时上报中央。21日清晨，中央复电说：
“完全同意你们20日10时围歼廖兵团及其他各项部署，并无补充意见。”一场大歼灭战就此定案，即将打响。这场大战就其规模而言在我军战争史上是史无前例的，我军集中了29个师共45万人，要一口吃掉敌人5个军的12个师约10万人。大战的最重要战场是黑山地区，我军必须在那里把廖耀湘兵团截住，阻其南逃，方能将其围而歼之，否则廖兵团就会在我军的包围圈形成之前从海上逃走。
黑山阻击战的重担，林彪选择放在了由梁兴初和周赤萍指挥的十纵身上。
十纵是在1947年9月11日才组建的新纵队，但是其主力师二十八师就是十万大军进东北时从由刘转连、晏福生带到东北的著名的原八路军一二零师的三五九旅，二十九师的老班底也是从关内来的原冀鲁豫军区和太行军区的部队，三十师则是原东北民主联军的东满独立一师，长期担任剿匪任务。这几支部队的战斗力都不弱。只是组建为新的纵队后，全纵队还没有在一起打过一个大仗。在锦州战役之前，林彪就把十纵和五纵、六纵放在彰武、新立屯一带，“陪伴”着廖耀湘兵团，准备迎击其西侵。可是廖耀湘兵团一直未能攻出来，他们也就捞不着仗打。现在廖耀湘兵团终于出来了，而且气势汹汹地扑过来了，十纵将士憋在心中的一股劲终于可以使出来，和廖耀湘兵团，特别是和新一军、新六军这两支国民党军队的“五大主力”之中的主力较量较量了。
在整个解放战争的历史上，我军以一个纵队同时对付两支国民党的王牌军，这是第一次，也是最后一次。
10月21日中午，十纵接到东野总部的命令：
锦州、长春解放后，敌廖耀湘集团仍企图西进与锦西之敌会合，重占锦州或逃入关内。我十纵即应进至黑山、大虎山一线，选择阵地，构筑工事，顽强死守，阻住敌人，待主力到达后，聚歼该敌。
十纵党委接到电令之后，心中很清楚，任务是相当艰巨的，因为要用我军的一个纵队加一个师对抗敌人的强大兵团，这个兵团是包括蒋军王牌新一军和新六军在内的6个军加一个师，何况敌人是美机械化装备的兵团，其装备要比我军强得多。另外，敌人虽然已经军心动摇、士气不振，可现在是在夺路而逃，狗急了也要跳墙，其疯狂程度是不能小视的。所以，十纵党委立即召开常委会，进行了仔细研究和部署，向全部队提出了“死守黑山，抗击敌人，与阵地共存亡”的口号。并决定在全线死守的同时，留足强大的预备队，随时出动反击。黑山阻击战只准打好，不准打坏，必须做到人在阵地在。当天夜里，全纵队急行军30公里，到达各自的指定位置，赶修工事。以西边的大白台子到东边的高家屯的正面防御阵地为中心，在当地老乡的大力支援下，修起了战壕、机枪掩体、指挥所、观察所、救护所。由于这一带地势较平，唯一的一个制高点一零一高地也是一座无法挖工事的石头山，给阵地修筑带来了不少困难。但军民同心，排除万难，硬是在20多个小时时间里，用木板、钢轨加堆土，将工事抢修完成。
也就在10月21日，廖耀湘下达了向黑山发起进攻的命令。22日，七十一军的两个师从侧面展开迂回，二零七师的三旅在兵团直属重炮团的配合下攻击正面，同时向我军阵地开进。23日清晨，敌军在尖山子与我二十八师担任警戒任务的前哨连八十二团七连交火。敌人虽然发动猛攻，但带有试探性质，未敢冒进。我七连以全连的兵力阻击敌人，在子弹打光后用石头将敌人打退。虽然伤亡很大，但是为后面阵地的大部队赢得了极为宝贵的一天时间进行各种准备。所以，从上述战斗日程来看，我军的日程是相当紧迫的。正是在这个日程上，才可以知道蒋介石和他的部下们的那五天争论对我军有多么重要的作用。
当黑山阻击战在23日打响之后，梁兴初立即向东野总部报告。东野总部根据当时各方面的情况回电向十纵下达了更为具体的任务：
“坚守三天。”十纵的领导干部心中很清楚，这三天是要用一分一秒来安排的。
24日，敌人以四个师的兵力在五个炮团和几架飞机的支援下，向我阵地发起了全面进攻。撼天动地的黑山阻击战正式拉开。狡猾的敌人并未将主力放在正面，而是放在我防守力量相对较弱、工事相对较差的侧面高家屯。廖耀湘用来进攻高家屯的部队是不久前才从沈阳调来的，在整个国民党军队中最为反动的“党化部队”青年军二零七师和国民党的王牌军新六军的二十二师。梁兴初用来坚守高家屯的部队是十纵主力、在著名的八路军三五九旅基础上组建的二十八师。二十八师师长贺庆积率领该师官兵防守三个制高点：石头山、九二高地、一零一高地。敌军二零七师第三旅每次冲锋都是用两个营或三个营的兵力进行的，他们在重炮的支持下，于下午3时将石头山、九二高地攻占，我军只能用尽全力死守一零一高地。当工事被敌人的炮火全部摧毁之后，战士们仅凭着阵地上的弹坑做一点掩护，一个一个弹坑的和敌人拼手榴弹、拼刺刀。
高地上两个连的战士拼得最后只剩下5个人，一颗子弹都没有了，高地终于失守，高家屯在下午4时20分全部落入敌手。在这万分紧急的时刻，贺庆积师长集中了12门山炮向一零一高地猛烈轰击，然后命令基本上全团都已被打光的八十四团副团长兰芹统一指挥八十二团的两个营反扑高家屯。战士们抱着拼死也要守住黑山的信念，不顾一切牺牲，趁着敌人立足未稳之时向前述三个制高点猛冲，硬是在半个钟头之内把高家屯的三个制高点一个一个全部夺了回来。
第一天的战斗，以敌人毫无进展而结束。因为在黑山西北的阵地上，我二十九师挡住了敌七十一军九十一师的进攻；在大虎山阵地上，我三十师挡住了敌新六军二十二师的进攻。由于敌九十一师打得太差，廖耀湘下令将该师师长戴海容就地正法。只是因戴在被执刑前的混乱中乘机逃脱，才未能在当天被枪决。
这天晚上，十纵干部召开了当天的战斗总结会。大家一致认为，明天的战斗会更加激烈，敌人的进攻重点仍然在高家屯。由于敌军的炮火很强，我军的工事基本上已全部被摧毁，明天的战斗不能太依靠阵地工事。此外，根据情报，廖耀湘已经把国民党军的五大王牌之一的新六军一六九师调到了第一线，很可能明天会以一六九师替代今天的青年军二零七师。根据上述情况，梁兴初决定高家屯仍然由二十八师担任防守，只是把八十四团撤下，由八十二团顶上去。今天晚上部队不能休息，要连夜抢修工事。在明天的战斗中，只以少数力量守在高地上，而以多数力量隐蔽在高地背后的堑壕里，一有机会就向冲上来的敌人发起反冲锋。在会上，还传达了东野总部听取了十纵当天战情报告之后的指示：
“盼你们发扬顽强精神，死守阵地，只要守住黑山、大虎山两点，退却之敌必遭全歼。大军正北进。”会议临散会时，梁兴初对干部们说：
“明天是决定性的一天，如果说我们今天挨的是千磅炸弹，明天就一定要挨万磅的。但不管压力多大，只要主力没有赶到，我们就一定坚决守住。”十纵的战士们这时还没有换上棉衣，10月下旬的东北夜晚已经是相当冷了，这天晚上，纵队各级指挥员和机关干部将各人穿在身上的棉衣脱了下来，将披在身上的绒毯取了下来，全部送到了前沿战壕里的战士们手中。
10月25日，廖耀湘倾其全力，用三个军中的五个师和兵团的全部炮兵进行进攻，在正面战场上，果然是以新六军的一六九师为先锋进攻高家屯。一六九师不仅有新六军的炮兵支持，还调来新一军的炮兵支持。
天一拂晓，敌人众炮齐轰，一直轰到8时。巨大的轰鸣使得我军一些战士的耳朵被震聋、震出了血。炮兵的轰击未停，又飞来10架飞机进行轮番低空轰炸。由于敌人在火力上和兵力上都大大高于我军，所以敌人采用了赶群羊的方式，以成团的兵力进行冲锋，甚至于当我军与敌军在阵地上短兵相接进行白刃肉搏时也进行密集炮轰，让他们的步兵当炮灰与我军同归于尽，用以削弱我军的有生力量。在这种情况下，我军伤亡惨重。在九二高地上，我八十二团五连全部牺牲，无一幸存，阵地也被攻占。在一零一高地上，我军以高昂的代价连续击退了敌人的二十几次进攻。
一零一高地仍然是双方争夺的制高点。我军在高地上可以清楚地看到和听到这样的丑剧：新六军军长李涛见久攻不下，竟在阵地上组织敢死队，由督战官手拿金圆券大声叫喊：“弟兄们，现在组织敢死队，参加者，每人奖励10万元！头一个冲上去的再加一番！”“每人再加5万！”“每人再加10万！”就这样，终于凑成了一支300多人的敢死队，在一阵炮轰之后再次向高地上冲来。我军当敌人冲到阵地前沿时，在一阵手榴弹之后，也喊起话来：“国民党抓来的穷哥们，你们受骗了！你们在这里卖命送死，丢下妻儿老小谁管！”在手榴弹的威力加上这类喊话的作用之下，无论敌人的督战官在后面如何赏钱，敢死队仍然成了怕死队，溃退了下去。在这种情况下，新六军来了最后一手，以军队内的国民党党徒和尉级以上军官组成一支“效忠党国先锋队”进行反复冲锋。由于敌人的火力支援太强，终于冲上了高地。于是，我军的100多名战士在侯长禄营长率领下和敌人展开肉搏战，拼刺刀、砸石头，刺刀断了用枪托，枪托断了用手掐，经过了20多分钟的血战，敌人的效忠党国先锋队终于手打战、腿发软，又被我军压了下去。但是，我军在高地上的战士愈来愈少，一个营快打光了，敌人的炮火把高地上的阵地削去了几尺（两天被反复炮击之后，一零一高地的高度降低了两米，成了九九高地），我军的守卫愈来愈难，干部战士非亡即伤。下午4时，敌人对高地进行三面围攻，高地又被敌人占领了。
“九九高地”一丢，高家屯就被敌人第二次占领。高家屯守不住，十纵的其他阵地也就难守。梁兴初和周赤萍在与二十八师贺师长等领导干部研究之后，决定无论如何也要在黄昏时把高家屯夺回来。可是，二十八师已经没有预备队了。于是，梁兴初调来了八十九团的一个营，二十八师也把能集中的力量全部集中起来。纵队的山炮营则在从未打过隔山间接射击的情况下大胆打间接射击。敌人方面则因为好不容易攻下了高家屯，攻下之后都在休息，未想到我军会立即发动反攻。下午6时，我军突然分四路发起反攻，经过50分钟的激烈战斗高家屯的几个据点又回到了十纵的手中。这次反击比较顺利，我军得手之后，廖耀湘也未投入新的兵力来与十纵进行再次争夺。十纵官兵这时还不知道，东北战局正在发生新的变化，他们肩上“死守三天”的任务已经胜利完成。
经过了一夜的寂静，第二天凌晨3时，十纵得到了东野总部的急电：“东进主力已到达，敌已向东溃退，望即协同主力动作，从黑山正面投入追击。”就是说，林彪原来的算计很准，黑山阻击战只需要三天，只要守上三天，目的就达到。这是因为，廖耀湘把他的主力用在黑山战场上猛攻了三天，竟然没有任何进展，他已经没有新的办法，也没有了再打的信心，而东野的主力已经从锦州方面快速赶到他的附近。在这种情况下他如果再打黑山，就有可能被东野包围。他为了求生路，决定放弃西进锦州的计划，也不再走通过黑山去营口的大路，而决定向东南方的台安、大洼方向逃窜，设法从营口的海路逃跑。所以在25日黄昏时，廖耀湘就已下决心不再攻黑山，而是部署部队掉转方向，队尾变成排头，向东南方向开进。十纵在此情况下不敢有任何松懈，为了最快地抓住敌人，仅在一个钟头之后，即凌晨4时，就向敌人发起了追击。
黑山阻击战虽然只打了三天，但却是整个辽沈战役中有着决定性意义的一战，因为它堵住了廖耀湘兵团的南逃之路，为东野全歼廖耀湘兵团赢得了极为宝贵的三天。黑山阻击战与塔山阻击战一样，是整个辽沈战役中打得最艰苦、最残酷的一战。这其中，二十八师在高家屯的三天阻击战又是其中特别残酷的战斗。十纵是新组建的部队，对手是国民党军队的精锐，而敌我双方兵力的比例是5∶1。守卫高家屯的八十二和八十四两个团击退了敌人的5个师，守卫大白台子的八十三和八十五两个团也击退了七十一军的两个师。在黑山阵地上，我军共击毙击伤敌人8015人（在追击时十纵在黑山地区还生俘了6299人），我十纵也付出了伤亡4100人的代价（在战斗中，还牺牲了400多个全力支前的民工）。黑山阻击战打出了威风，打出了成绩，不仅使东野十纵名扬天下，也使黑山这个过去的无名小县成为一个知名度很高的著名战场。