辽西地区包括沈阳以西各县和锦州南北地区。其间有辽河、巨流河、柳河、绕阳河、沙河、大凌河、女儿河，南北纵横，流向多变，河水多淤泥，难以徒涉。黑山至沟帮子之间，有由东北向西南走向的山地丘陵。北宁与大（虎山）郑（家屯）两条铁路，从这里狭长的丘陵中间穿插而过。位于两线交界处的黑山、大虎山两点，北临高程千余米的医巫闾山脉，南接连绵50公里的沼泽地带，如两扇铁门，开则畅通，闭则堵塞。东北野战军同廖耀湘兵团首先就在这一地区展开激烈的会战。
廖耀湘第9兵团，是蒋介石的看家本钱。其中有国民党军的五大主力，新编第1军和新编第6军全是美械装备。蒋介石为保存这支主力，想让他们撤出东北准备转进于华北或中原战场未成。
10月21日，廖耀湘指挥第71军两个师、新1军1个师、新6军1个师及整编第207师第3旅共5个师的兵力，由彰武、新立屯地区南下。23日在200余门重炮、装甲部队和数十架飞机支援下，向黑山、大虎山25公里正面弧形的野战军阵地展开猛攻，企图夺取黑山、大虎山间约9公里的南下通道。
已于10月上旬进入阵地待机的东北野战军第10纵队、第1纵队第3师和骑兵第1师等部，以与阵地共存亡的决心，进行顽强抗击，寸土必争。黑山以东高家屯、101高地、92高地和石头山一线的第10纵队28师阵地战斗异常激烈。在101高地上，该师与敌短兵相接，反复拼刺刀，终于打退被敌称为“党化部队”的国民党第207师和王牌主力新6军的猛烈进攻。
坚守92高地的分队，与敌浴血奋战，最后全部牺牲。在大虎山南侧，大小白台子、孙屯、赵家窝棚等处，先期赶到的第8纵队22师等部队，也顽强地抗击敌军的进攻。国民党军多次以整团、整营的兵力反复进行集团冲击，均未能得逞。
经过5天激战，野战军终于守住黑山、大虎山阵地，阻住廖耀湘兵团前进。黑山阻击战的胜利，为野战军主力回师围歼廖耀湘兵团赢得宝贵的时间。
廖兵团连日进攻受挫，而东北野战军主力已回师到达黑山附近地区，使廖耀湘动摇了攻占黑山、大虎山的信心。同时，自辽阳、鞍山南撤的国民党军第52军两个师已于24日抢占营口，后续部队也已占领鞍山、辽阳，打通了沈阳至营口的通道。廖耀湘在这种情况下，遂决定放弃沿北宁线正面进攻的计划，改由黑山、大虎山以东地区，经台安渡辽河向营口撤退。10月25日，廖耀湘兵团除以新6军、第207师第3旅和第71军继续攻黑山以作掩护外，以其第49军、第3军第14师、新6军骑兵部队为先头，经大虎山以东向营口方向迅速撤退。
为粉碎廖耀湘兵团南逃营口的企图，东北野战军立即命令第7、8、9纵队从右翼迂回到廖耀湘兵团侧后，与第5、6纵队从左翼对敌实施钳形夹击。命令第1、2、3、10纵队从正面突击，采取边合围、边分割的手段，求歼敌人。命令独立第2师向台安以北地区急进，断敌退路。当国民党第49军等部进至台安西北魏家窝棚、六间房等地时，遭到第8纵队23师和奉命由盘山北进的独立第2师的突然截击，双方遭遇后展开激战，从早晨打到黄昏，廖兵团虽多次冲击，均被野战军击退。随后野战军右路大军陆续及时插入大虎山、台安之间，堵住了廖耀湘兵团南北的通路，在野战军坚决打击下，廖兵团不得不停止前进。
廖耀湘南撤受阻，他估计退往营口的路已被切断，于是改变计划，急令各军分头向沈阳方向撤退。这时一直主张固守沈阳的卫立煌极力组织配合，命令留守在辽河东岸的新1军，暂编第513师进占台安、卡力马一线，搜集船只，并命令工兵在辽河上架桥接应。但为时已晚。第6纵队已于25日夜进至北宁线之厉家窝棚、姚家窝棚一带；第5纵队于26日凌晨进至二道境子、郑家窝棚之线，截断廖兵团向新民、沈阳的退路。
26日拂晓，东北野战军展开对廖兵团大规模围歼战。各部队按预定计划，在黑山以东、大虎山东北、绕阳河以西、无梁殿以南、魏家窝棚以北纵横约120平方公里的区域内，乘敌混乱之际开展向心突击。第1、2、3、10纵队，第6纵队17师和炮兵纵队主力由黑山正面自东向西突击；第7、8、9纵队由大虎山以南，自南向北突击；第5、6纵队跨北宁线，由二道境子绕阳河以东向西突击。
各纵队发扬高度的机动作战精神和战斗积极性，不怕疲劳，不怕伤亡，大胆插入廖耀湘兵团各部队之间，打乱敌人的部署。当晚，第3纵第7师攻占胡家窝棚，在混战中一举摧毁廖兵团指挥所。接着，敌各军各师指挥机构也相继被摧毁。廖耀湘等指挥官无法掌握部队，不得不夹在溃兵中东奔西突。
野战军乘机向敌纵深勇猛穿插，实施分割围歼。
一时，辽西战场上，到处呈现壮观无比、动人心弦的歼敌场面。各纵队积极主动寻敌作战，广大指战员发扬英勇果断和灵活机动的战斗作风。哪里有枪声就朝哪里追，哪里有敌人就向哪里攻击，争先恐后地抓俘虏。在东北野战军强大的攻势面前，国民党军已无法组织抵抗，纷纷投降。
28日拂晓，辽西会战胜利结束，在短短两天中，东北野战军全歼廖耀湘兵团5个军、12个师（旅）及特种兵部队共10万余人，其中包括被称为国民党军“五大主力”的新1军和新6军。俘获国民党军第9兵团司令官廖耀湘、新6军军长李涛、第71军军长向凤武、第49军军长郑庭笈、新1军副军长文小山等高级将领。从而取得了辽沈战役的决定胜利。至此，辽沈战役第二阶段结束。
同日，中共中央和毛泽东向林彪等人电贺辽西大捷，称赞这一胜利对于全国战局贡献极大。尚望激励全军，再接再厉，为全歼东北国民党军，解放沈阳而战！