解放军的战略进攻全面展开后，东北民主联军也在1947年9月14日至11月5日发起了秋季攻势作战，以为配合。

1947年8月，国府为加强东北的军事力量，决定将东北保安司令长官部并入东北行辕，派参谋总长陈诚接替熊式辉兼任东北行辕主任，并拟从关内抽调5个整编师（军）增援东北。陈诚到任后，将驻东北国军扩编至10个军45个师（旅）共50余万人，将主力部署在锦州、沈阳、四平、长春为重点的铁路沿线，采取依托重点，向外扩张的机动防御方针，确保北宁路（北平至沈阳），维护中长路（自哈尔滨西至满洲里，东至绥芬河，南至大连），保护海口，待关内援军到达后，视机转入进攻。

为配合解放军在全国的战略进攻，东北民主联军总司令兼政治委员林彪、副政治委员罗荣桓决定于1947年9月中旬向东北国军发动大规模攻势，以两个纵队向兵力薄弱的南线国军发动进攻，调动其北线兵力南援，尔后北线主力乘机向中长路沈阳以北地区出击，南北协同进攻，大量歼灭其有生力量。9月6日，国军三个师由绥中、兴城、锦西分三路向建昌方向进攻，意图保卫锦榆铁路（锦州至山海关）。9月14日，东北民主联军第8纵队主力与冀察热辽军区独立第1师联合向由绥中、锦西出动向建昌方向进击的国军50师和22师发起攻击，于当日拂晓将50师包围在建昌以东之梨树沟门，歼其大部，尔后转兵追击第22师，在杨家杖子、旧门地区歼其大部，并逼退国军第60师。9月17日，国军第49军军部率第105、第79师由锦州向建昌方向增援，东北民主联军第8纵队诱敌深入，将49军引至杨家仗子并将其包围，随后连夜冒雨猛攻，49军于22日突围南撤，民主联军立刻追击，于23日将其主力全歼于旧门地区。接着，东北民主联军主力全线出动，趁胜破路，对锦榆铁路进行了大规模破袭。

迫于辽西地区战事的吃紧，陈诚紧急从铁岭抽调新六军两个师驰援锦州，在锦州、兴城间护路。同时，东北民主联军北线主力也乘国军四平至沈阳间守备兵力减弱之机，从9月29日至10月8日，向中长路沈阳以北国军各据点守军发动攻击。9月29日，东北民主联军三个纵队共计8个师向开原、西丰、昌图地区隐蔽集结，围歼国军第53军，切断中长铁路。10月1日，东北民主联军第3纵队在第1纵队第3师配合下于西丰镇西南威远堡、四家子、拐磨子地区突然包围国军53军116师，经19小时激战，将其全歼；第4纵队第10、12师在西丰镇以南八棵树、貂皮屯歼53军130师1个团；第7纵队第21师日行80公里，亦于1日突然包围法库，激战2小时，全歼保安第7支队；第7纵队第19师于10月7日攻克彰武，歼暂编第57师1个团。东北民主联军在开原东、西地区的连续进击，迫使国军新一军主力自长春南调四平，新六军北返铁岭，范家屯、公主岭等地的国军也都收缩至四平固守。与此同时，东北民主联军四个纵队也分别进至四平南、北和永吉东北江密峰地区牵制国军；第4纵队第11师和辽东军区独立第1师攻占大石桥、海城，在牛庄、海城间歼灭国军52军25师1个团。随后，东北民主联军将大量兵力投入北宁、中长铁路沿线，展开大规模破袭战。

为扭转东北战局，10月8日，蒋介石飞抵沈阳，调整国军部署，加强沈阳以北地区的守备力量，并从华北抽调92军21师、94军43师、暂编第3军10、11师、骑兵第4师和位于承德地区的13军54师等部共6个师的兵力增援东北，10月中旬陆续进至兴城、锦州一线，并继续向沈阳推进。对此，东北民主联军决定围城打援，以6个纵队在北线发动攻击，以3个纵队在北宁路阻击和牵制华北援军，策应主力作战。10月9日，东北民主联军第7纵队奔袭新立屯，歼灭国军暂编57师大部。10月10日至12日，第8、第9纵队等部破袭北宁路，扫除了锦州至兴城间除锦西以外的各据点，15日转兵包围义县。10月17日，第7纵队攻克阜新，歼灭国军51师师部及1个团。正向沈阳前进的国军21、43师因侧翼及后方受到威胁，改由黑山向北，驰援新立屯、阜新等地，冀察热辽军区为诱其西进，以第9纵队于10月23日攻占朝阳，并在国军21、43师西援途中，将其包围于义县以西朝阳寺、九关台门、代官堡一线。10月30日，东北民主联军集中8个师进行围攻，激战至11月2日，歼灭国军21师大部、43师一部，4日乘胜攻占义县。

在辽西部队上述行动的配合下，10月16日，东北民主联军主力转至永吉、长春地区展开攻势，先后占领桦皮厂、九站、口前、乌拉街、九台、农安和德惠等地，歼灭大量国军，孤立了长春，包围了永吉。陈诚为解长春、永吉之危，于10月28日将沈阳一部兵力紧急空运长春，并令新一军由四平回援长春。11月2日，东北民主联军在范家屯以东截歼新一军暂编56师一部。后鉴于国军已收缩兵力加强重点城市的守备，同时部队也急需整补，东北民主联军于11月5日结束了秋季攻势作战。秋季攻势后，驻东北国军已收缩至中长路和北宁路上的长春、沈阳、四平、锦州等几个孤立城市内，局面陷于被动；同时，由于大量华北国军被调至东北增援，国军在华北对中共的作战也受到很大影响。

东北民主联军秋季攻势期间，为歼灭增援东北的国军第三军主力，中共晋察冀野战军于10月11日至22日进行了清风店战役，此役连同保北阻击战，晋察冀野战军歼灭国军近两万人，扭转了华北战局，很好的配合了东北民主联军的秋季攻势。11月12日，晋察冀野战军攻克华北重镇石家庄，全歼守敌，使晋察冀和晋冀鲁豫两解放区连成一片。

1948年1月，东北民主联军改称东北人民解放军，区分为东北军区和东北野战军。自从头年的秋季攻势后，国府东北行辕主任陈诚便在吉林、长春、四平和锦州至沈阳段铁路沿线及其两侧部署了大量部队，以确保“辽西走廊”与沈阳的安全。1947年12月，林彪决定趁国军喘息未定和江河封冻之际，集中军队主力发动冬季攻势，对北宁路锦沈段及其两侧之国军展开进攻，调动并歼灭其援军。12月15日，东北民主联军第2纵队与第10纵队一部突然包围法库，第7纵队也由郑家屯南下协同作战；第1、第3、第6纵队分别向新民、法库、铁岭、沈阳间前进，准备阻击由沈阳出援的国军；第10纵队主力进抵昌图、开原地区，担负侧击任务；第4纵队主力直逼沈阳。在此形势下，国军急调新六军22师由铁岭向西出援，解法库之围。12月17日，民主联军第2纵队在铁岭西南娘娘庙地区歼灭22师1个团，第7纵队在法库以南大孤家子等地再歼暂编59师1个团。

为确保战略中枢沈阳，国军从长春、四平、辽南等地抽调新一军及71、53军主力等部共7个师至铁岭、沈阳地区，准备解除民主联军对沈阳之威胁。民主联军为调动与分散国军的兵力，以第1纵队第3师佯攻法库，以第2、第7纵队西取彰武，而以主力进至沈阳西北石佛寺地区，伺机打援。12月28日，第2、第7纵队攻克彰武全歼守军49军79师。与此同时，民主联军第4纵队一度突入沈阳市皇姑屯，第6纵队在沈阳西北万金台歼灭国军整编207师1个团，但国军仍按兵不动。为诱国军出援，民主联军仍以主力隐蔽待机，以一部兵力奔袭、捕歼国军分散孤立之部，连克黑山、大虎山、台安等地。此时，国军误认为民主联军已分散，遂调集沈阳地区可抽调的15个师，于1948年1月1日分别自新民、沈阳、铁岭向沈阳西北出击，意图乘机寻歼该地区的东北解放军，并解法库之围。1月5日，解放军第2、第3、第6、第7纵队，将西出的国军左路第五军包围于新民以北公主屯地区，下午对其展开猛攻，至7日晚，歼灭国军五大主力之一第五军2万余人，中、右两路援军因惧怕被歼而回撤。第五军被歼后，陈诚遭到国府上下的一致声讨，蒋介石也改用卫立煌主持东北战事。为进一步打开辽西局面，东北人民解放军第1、第8纵队乘胜于1月26日攻占新立屯，歼灭守军26师，第9纵队于1月30至31日先后进占沟帮子、大凌河铁桥，歼灭60军184师一部，并占领盘山。至此，冬季攻势第一阶段结束。

进入冬季攻势的第二阶段，东北解放军以第3、第10纵队和第l纵队1个师位于沈阳以西，分别继续围困法库，并牵制驻沈阳国军，而主力则转兵辽南。在第1纵队主力、第2、第7纵队和第6纵队1个师于沈阳以南准备打援的掩护下，第4、第6纵队及炮兵主力和南满独立师，于2月6日攻克辽阳，全歼守军，20日再克鞍山。随后，第4纵队与南满独立第1师乘胜南下营口，营口守军起义。至此，解放军全部收复辽南地区，控制了营口海港。其间，解放军第10纵队等部追歼法库突围守军于开原、法库之间，继而攻克开原。此时，四平守备空虚，解放军乘机以第1、第3、第7纵队及1个独立师，于3月13日攻克四平，这是国共在四平的第四次交战，而这一次林彪只用了23个小时就取得了完全的胜利。3月9日，国军吉林守军弃城撤至长春，吉长地区的解放军4个独立师当即发起追击，攻占吉林。

至1948年3月中旬冬季攻势结束时，东北解放军攻占了东北一批规模较大的城市，歼灭国军15万人，砌底切断了北宁路和中长路，国府在东北只剩下长春、沈阳、锦州三个相互隔绝的城市。此后，由于东北行辕副主任兼东北剿总司令卫立煌主张“固守坚城，以不变应万变”，东北战场因此有半年没有战事，一直到9月辽沈战役的爆发。