遵照毛泽东和中央军委的指示，东北野战军领导当即命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、二纵队，以及本溪地区独立第十四师等部，向沈阳急进，命令第七、八、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；命令辽宁军区部队立即在辽河架桥，接应主力东渡。
10月31日，第一、二纵队在台安以东、巨流河等地东渡辽河，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。与此同时，沈阳外围的铁岭、抚顺、本溪、苏家屯等地之国民党军均被野战军迅速歼灭。沈阳以西的国民党军3个骑兵旅向野战军投诚。
廖耀湘兵团在辽西被围时卫立煌就意识到该兵团失守，沈阳终将不保，遂于1948年10月26日起，空运“剿总”机关非必要人员及家属撤离沈阳。同时，为避免被解放军各个击破，令驻本溪、抚顺之二○七师一、二旅，驻铁岭之五十三军一一六师，驻辽中之新编一军暂编五十三师，驻营口之五十二军等部均向沈阳收缩以图固守沈阳。
10月27日，蒋介石令在葫芦岛的杜聿明到北平磋商抢救廖耀湘兵团的对策。
蒋介石提出：马上调海军运输舰将葫芦岛的部队海运营口登陆，策应廖兵团从营口撤退。而杜聿明认为，这是不切实际的“战术作业”，不可能行得通。他说：将葫芦岛部队运到营口至少要一周时间，在此期间，廖兵团如果存在的话就可以自己打出来，退到营口。否则一两天就完了。若再把葫芦岛的部队调出，等于白送死。
杜聿明还提出：廖耀湘兵团已无法救出，只有赶快调船把营口的部队撤退。沈阳是否能撤退得出来，还是问题。
此时的蒋介石已不再固执己见，随即令海军迅速准备船只撤退营口的国民党五十二军；令八兵团司令官周福成指挥五十三军、二○七师、一军暂编五十三师及“剿总”直属部队等共14万余人死守沈阳。
临危受命的周福成拒不接受其部属要求他率沈阳残部起义的劝告，将沈阳守军作如下部署：新编一军暂编五十三师防守由东陵南端河岸起（不含浑河），经陵园东侧到山咀村东北角止，新编三十师防守由山咀村东北起，至赵家沟村南高地止；五十三军一一六师防守由赵家沟村南起，至文官屯东端止；一三○师防守由文官屯东端起，经道义屯至裕国车站止；二○七师防守由裕国车站起，经于洪屯车站至揽军屯止；沈阳守备二总队防守由揽军屯东端起，至浑河沿止；东北守备二总队沿浑河北岸警戒，西接沈阳守备二总队，东至东陵南端止；骑兵二旅在浑河南的北塔堡至苏家屯之线警戒。
在廖耀湘兵团被我军全歼后，卫立煌对防守沈阳不再抱有任何希望。他对前来沈阳部署防务的杜聿明无奈地说：“从前我坚决主张守沈阳，蒋介石不肯守，现在什么也没有了如何守法？”卫立煌遂于10月30日偕参谋长赵家骧及少数亲信人员搭乘最后一架运输机逃离沈阳。
为全歼沈阳、营口地区国民党军，解放东北全境，中央军委于10月27日23时30分致电林彪、罗荣桓、刘亚楼：“当面敌人解决后望以有力兵团（不少于3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。”
在接中央军委上述电报之前，林彪、罗荣桓、刘亚楼已于27日11时30分和18时，作出迅速向鞍山、海城前进歼灭沈阳南下之国民党军的部署：并令辽宁军区司令员陈奇涵、政治委员张秀山立即设法在辽河上架设浮桥以便大军东渡辽河迅速向鞍山、海城前进围歼由沈阳南下之国民党军。
同时又令十二纵队和自长春南下各独立师兼程向沈阳疾进。
28日零时30分中央军委再次致电林彪、罗荣桓、刘亚楼：“你们业已部署大军迅速向鞍山、海城前进歼灭沈阳南下之敌，甚好甚慰。希望你们立刻抽出几个纵队于本日兼程东进，如能于29日渡过辽河则沈阳国民党军逃跑不掉，否则有于30日退到营口的可能。”
遵照中央军委的指示，为阻止沈阳地区国民党军向营口总退却，全歼卫立煌集团，解放全东北，东北野战军首长遂决定乘胜以主力向鞍山、海城、营口前进。
鉴于沈阳、营口地区国民党军全线动摇，但沈阳周福成部未向营口退却，东北野战军于31日决定同时歼灭营口与沈阳之敌。命令一、二纵队会同十二纵队及辽北独立一、三、四、十二、十三师攻击沈阳；七、八、九纵队独立二师、内蒙古骑兵一师及一兵团各独立师攻击营口。
为维持城市秩序减少作战对城市的破坏，11月1日林彪、罗荣桓、刘亚楼、谭政联署发出通告，规定了进城部队注意事项。通告指出，沈阳为东北最大工业城市，人民解放军占领后即可完全巩固，对整个人民战争将有极大贡献。各部人民解放军向国民党军喊话，必须力加保护。该市外侨甚多，解放军一切行动极易引起国际注目。各部均须严格遵守中共中央的政策，切实维护纪律。
奉命担任夺取沈阳任务的各纵师，日夜兼程向沈阳挺进。在此之前，安东军区司令员兼政治委员程世才奉命指挥独立一、二、三、十四师等部以及地方武装从1948年5月至9月，对沈阳、抚顺、本溪、鞍山4个城市进行了长达4个多月的围困，其任务是打击出扰和抢粮之国民党军，结合经济封锁和政治攻势使其粮弹俱困，斗志瓦解，进一步削弱沈阳地区国民党军的力量。
由长春南下的解放军十二纵队及一兵团所属各独立师经过300余公里长途行军，于10月28日插至铁岭、沈阳、抚顺之间地区，完全隔断了各点间国民党军联系。
10月29日拂晓，十二纵队三十六师攻歼铁岭国民党守军五十三军一一六师1个团，解放铁岭。同日，该纵主力在南进途中于新城子以西地区，又截歼由铁岭向沈阳撤退之国民党一一六师师部及所属2个团和东北守备一总队一部，生俘国民党少将守备司令彭定一以下4000余人。
29日，十二纵队三十五师在沈阳以西之吴家荒、大兴屯歼灭由新民、巨流河向沈阳撤逃的国民党五十三军一三○师1个团，毙俘团长以下2800余人。
旋即纵队主力绕过沈阳，于31日凌晨抵达沈阳以南的浑河岸边，并于当日攻占沈阳以南之重要据点苏家屯，歼敌二○七师暂编十团主力，从南面逼近沈阳。
与此同时，一兵团各独立师迅速前出至抚顺及沈阳以北、以东地区。
29日独立三师在沈阳以东之东陵、水泉、英达堡子歼灭国民党五十三军暂编三十师一部。30日独立第一师攻占沈阳以东之前台屯、木厂屯、山东沟并一度攻占东大营；独立四师占领沈阳以北之文官屯机场，独立十四师解放本溪，独立十师向抚顺发起攻击，于31日解放抚顺。
由辽西战场东进的一、二纵队，不顾连日作战的疲劳，克服河流障碍，向沈阳攻击前进，29日收复新民、巨流河并追歼由新民向沈阳撤逃之国民党骑兵二旅等部4000余人，继续向沈阳以西逼近。31日一、二纵队进抵沈阳西郊，二纵队一部与十二纵队在沈阳西南地区会师。至此，会攻沈阳各部已逼近城郊，沈阳城垣完全裸露在解放军的攻击之下。
这个时候，沈阳守军竟然纷纷与解放军联系起义和投诚事宜。对于攻占沈阳，中共中央和东北局特别强调，在加强军事打击的同时应大力开展政治攻势，瓦解守军。