解放軍的戰略進攻全面展開后，東北民主聯軍也在1947年9月14日至11月5日發起了秋季攻勢作戰，以為配合。

1947年8月，國府為加強東北的軍事力量，決定將東北保安司令長官部并入東北行轅，派參謀總長陳誠接替熊式輝兼任東北行轅主任，并擬從關內抽調5個整編師（軍）增援東北。陳誠到任后，將駐東北國軍擴編至10個軍45個師（旅）共50余萬人，將主力部署在錦州、沈陽、四平、長春為重點的鐵路沿線，采取依托重點，向外擴張的機動防御方針，確保北寧路（北平至沈陽），維護中長路（自哈爾濱西至滿洲里，東至綏芬河，南至大連），保護海口，待關內援軍到達后，視機轉入進攻。

為配合解放軍在全國的戰略進攻，東北民主聯軍總司令兼政治委員林彪、副政治委員羅榮桓決定于1947年9月中旬向東北國軍發動大規模攻勢，以兩個縱隊向兵力薄弱的南線國軍發動進攻，調動其北線兵力南援，爾后北線主力乘機向中長路沈陽以北地區出擊，南北協同進攻，大量殲滅其有生力量。9月6日，國軍三個師由綏中、興城、錦西分三路向建昌方向進攻，意圖保衛錦榆鐵路（錦州至山海關）。9月14日，東北民主聯軍第8縱隊主力與冀察熱遼軍區獨立第1師聯合向由綏中、錦西出動向建昌方向進擊的國軍50師和22師發起攻擊，于當日拂曉將50師包圍在建昌以東之梨樹溝門，殲其大部，爾后轉兵追擊第22師，在楊家杖子、舊門地區殲其大部，并逼退國軍第60師。9月17日，國軍第49軍軍部率第105、第79師由錦州向建昌方向增援，東北民主聯軍第8縱隊誘敵深入，將49軍引至楊家仗子并將其包圍，隨后連夜冒雨猛攻，49軍于22日突圍南撤，民主聯軍立刻追擊，于23日將其主力全殲于舊門地區。接著，東北民主聯軍主力全線出動，趁勝破路，對錦榆鐵路進行了大規模破襲。

迫于遼西地區戰事的吃緊，陳誠緊急從鐵嶺抽調新六軍兩個師馳援錦州，在錦州、興城間護路。同時，東北民主聯軍北線主力也乘國軍四平至沈陽間守備兵力減弱之機，從9月29日至10月8日，向中長路沈陽以北國軍各據點守軍發動攻擊。9月29日，東北民主聯軍三個縱隊共計8個師向開原、西豐、昌圖地區隱蔽集結，圍殲國軍第53軍，切斷中長鐵路。10月1日，東北民主聯軍第3縱隊在第1縱隊第3師配合下于西豐鎮西南威遠堡、四家子、拐磨子地區突然包圍國軍53軍116師，經19小時激戰，將其全殲；第4縱隊第10、12師在西豐鎮以南八棵樹、貂皮屯殲53軍130師1個團；第7縱隊第21師日行80公里，亦于1日突然包圍法庫，激戰2小時，全殲保安第7支隊；第7縱隊第19師于10月7日攻克彰武，殲暫編第57師1個團。東北民主聯軍在開原東、西地區的連續進擊，迫使國軍新一軍主力自長春南調四平，新六軍北返鐵嶺，范家屯、公主嶺等地的國軍也都收縮至四平固守。與此同時，東北民主聯軍四個縱隊也分別進至四平南、北和永吉東北江密峰地區牽制國軍；第4縱隊第11師和遼東軍區獨立第1師攻占大石橋、海城，在牛莊、海城間殲滅國軍52軍25師1個團。隨后，東北民主聯軍將大量兵力投入北寧、中長鐵路沿線，展開大規模破襲戰。

為扭轉東北戰局，10月8日，蔣介石飛抵沈陽，調整國軍部署，加強沈陽以北地區的守備力量，并從華北抽調92軍21師、94軍43師、暫編第3軍10、11師、騎兵第4師和位于承德地區的13軍54師等部共6個師的兵力增援東北，10月中旬陸續進至興城、錦州一線，并繼續向沈陽推進。對此，東北民主聯軍決定圍城打援，以6個縱隊在北線發動攻擊，以3個縱隊在北寧路阻擊和牽制華北援軍，策應主力作戰。10月9日，東北民主聯軍第7縱隊奔襲新立屯，殲滅國軍暫編57師大部。10月10日至12日，第8、第9縱隊等部破襲北寧路，掃除了錦州至興城間除錦西以外的各據點，15日轉兵包圍義縣。10月17日，第7縱隊攻克阜新，殲滅國軍51師師部及1個團。正向沈陽前進的國軍21、43師因側翼及后方受到威脅，改由黑山向北，馳援新立屯、阜新等地，冀察熱遼軍區為誘其西進，以第9縱隊于10月23日攻占朝陽，并在國軍21、43師西援途中，將其包圍于義縣以西朝陽寺、九關臺門、代官堡一線。10月30日，東北民主聯軍集中8個師進行圍攻，激戰至11月2日，殲滅國軍21師大部、43師一部，4日乘勝攻占義縣。

在遼西部隊上述行動的配合下，10月16日，東北民主聯軍主力轉至永吉、長春地區展開攻勢，先后占領樺皮廠、九站、口前、烏拉街、九臺、農安和德惠等地，殲滅大量國軍，孤立了長春，包圍了永吉。陳誠為解長春、永吉之危，于10月28日將沈陽一部兵力緊急空運長春，并令新一軍由四平回援長春。11月2日，東北民主聯軍在范家屯以東截殲新一軍暫編56師一部。后鑒于國軍已收縮兵力加強重點城市的守備，同時部隊也急需整補，東北民主聯軍于11月5日結束了秋季攻勢作戰。秋季攻勢后，駐東北國軍已收縮至中長路和北寧路上的長春、沈陽、四平、錦州等幾個孤立城市內，局面陷于被動；同時，由于大量華北國軍被調至東北增援，國軍在華北對中共的作戰也受到很大影響。

東北民主聯軍秋季攻勢期間，為殲滅增援東北的國軍第三軍主力，中共晉察冀野戰軍于10月11日至22日進行了清風店戰役，此役連同保北阻擊戰，晉察冀野戰軍殲滅國軍近兩萬人，扭轉了華北戰局，很好的配合了東北民主聯軍的秋季攻勢。11月12日，晉察冀野戰軍攻克華北重鎮石家莊，全殲守敵，使晉察冀和晉冀魯豫兩解放區連成一片。

1948年1月，東北民主聯軍改稱東北人民解放軍，區分為東北軍區和東北野戰軍。自從頭年的秋季攻勢后，國府東北行轅主任陳誠便在吉林、長春、四平和錦州至沈陽段鐵路沿線及其兩側部署了大量部隊，以確保“遼西走廊”與沈陽的安全。1947年12月，林彪決定趁國軍喘息未定和江河封凍之際，集中軍隊主力發動冬季攻勢，對北寧路錦沈段及其兩側之國軍展開進攻，調動并殲滅其援軍。12月15日，東北民主聯軍第2縱隊與第10縱隊一部突然包圍法庫，第7縱隊也由鄭家屯南下協同作戰；第1、第3、第6縱隊分別向新民、法庫、鐵嶺、沈陽間前進，準備阻擊由沈陽出援的國軍；第10縱隊主力進抵昌圖、開原地區，担負側擊任務；第4縱隊主力直逼沈陽。在此形勢下，國軍急調新六軍22師由鐵嶺向西出援，解法庫之圍。12月17日，民主聯軍第2縱隊在鐵嶺西南娘娘廟地區殲滅22師1個團，第7縱隊在法庫以南大孤家子等地再殲暫編59師1個團。

為確保戰略中樞沈陽，國軍從長春、四平、遼南等地抽調新一軍及71、53軍主力等部共7個師至鐵嶺、沈陽地區，準備解除民主聯軍對沈陽之威脅。民主聯軍為調動與分散國軍的兵力，以第1縱隊第3師佯攻法庫，以第2、第7縱隊西取彰武，而以主力進至沈陽西北石佛寺地區，伺機打援。12月28日，第2、第7縱隊攻克彰武全殲守軍49軍79師。與此同時，民主聯軍第4縱隊一度突入沈陽市皇姑屯，第6縱隊在沈陽西北萬金臺殲滅國軍整編207師1個團，但國軍仍按兵不動。為誘國軍出援，民主聯軍仍以主力隱蔽待機，以一部兵力奔襲、捕殲國軍分散孤立之部，連克黑山、大虎山、臺安等地。此時，國軍誤認為民主聯軍已分散，遂調集沈陽地區可抽調的15個師，于1948年1月1日分別自新民、沈陽、鐵嶺向沈陽西北出擊，意圖乘機尋殲該地區的東北解放軍，并解法庫之圍。1月5日，解放軍第2、第3、第6、第7縱隊，將西出的國軍左路第五軍包圍于新民以北公主屯地區，下午對其展開猛攻，至7日晚，殲滅國軍五大主力之一第五軍2萬余人，中、右兩路援軍因懼怕被殲而回撤。第五軍被殲后，陳誠遭到國府上下的一致聲討，蔣介石也改用衛立煌主持東北戰事。為進一步打開遼西局面，東北人民解放軍第1、第8縱隊乘勝于1月26日攻占新立屯，殲滅守軍26師，第9縱隊于1月30至31日先后進占溝幫子、大凌河鐵橋，殲滅60軍184師一部，并占領盤山。至此，冬季攻勢第一階段結束。

進入冬季攻勢的第二階段，東北解放軍以第3、第10縱隊和第l縱隊1個師位于沈陽以西，分別繼續圍困法庫，并牽制駐沈陽國軍，而主力則轉兵遼南。在第1縱隊主力、第2、第7縱隊和第6縱隊1個師于沈陽以南準備打援的掩護下，第4、第6縱隊及炮兵主力和南滿獨立師，于2月6日攻克遼陽，全殲守軍，20日再克鞍山。隨后，第4縱隊與南滿獨立第1師乘勝南下營口，營口守軍起義。至此，解放軍全部收復遼南地區，控制了營口海港。其間，解放軍第10縱隊等部追殲法庫突圍守軍于開原、法庫之間，繼而攻克開原。此時，四平守備空虛，解放軍乘機以第1、第3、第7縱隊及1個獨立師，于3月13日攻克四平，這是國共在四平的第四次交戰，而這一次林彪只用了23個小時就取得了完全的勝利。3月9日，國軍吉林守軍棄城撤至長春，吉長地區的解放軍4個獨立師當即發起追擊，攻占吉林。

至1948年3月中旬冬季攻勢結束時，東北解放軍攻占了東北一批規模較大的城市，殲滅國軍15萬人，砌底切斷了北寧路和中長路，國府在東北只剩下長春、沈陽、錦州三個相互隔絕的城市。此后，由于東北行轅副主任兼東北剿總司令衛立煌主張“固守堅城，以不變應萬變”，東北戰場因此有半年沒有戰事，一直到9月遼沈戰役的爆發。