以受降为名，将东北一举归为己有这是蒋介石的既定方针。为此他一直幻想在苏军撤出前实现这个方针。但是，由于国民党军沿平绥路、平汉路、津浦路进犯的傅作义、孙连仲、李延年、陈大庆等部沿途遭到晋绥、晋察冀、晋冀鲁豫和新四军部队的坚决抵制，加之路途遥远，铁路被破坏，故行动缓慢。蒋介石为在苏军1945年11月撤军能迅速抢占东北，不得不求助于美国，使用美国的飞机、军舰，加紧运兵。
美国政府应蒋介石的请求，早在1945年8 月15日，即命令第14. 第10舰空队开始全力空运国民党军队抢占南京、上海、北平等大城市。9 月30日，从冲绳岛开来的美国海军陆战队11.8万余人开始在塘沽登陆。10月2 日，美国海军陆战队1400人在秦皇岛登陆。9 月15日，美机空运国民党军第92军千余人到北平。16日，美机空运国民党军第94军一部进占天津。此后，蒋介石又迫不及待地从九龙海运第13军在秦皇岛登陆，并在美海军陆战队配合下，侵占冀东解放区的秦皇岛、北戴河、留守营等地。
国民党军是怎样轻易就取得了秦皇岛的呢？主要是美国海军的“功劳”。还在10月初，美国第7 舰队的舰只满载着海军陆战部队，在渤海湾来回游七，目的在于寻找登陆港口。当时，苏军与中共方面达成默契，以营口已为中共军队所占名义拒绝了美军登岸。美舰无奈最后来到秦皇岛，在此有500 名日军和部分伪军防守。为了夺取这一出海口，中共冀东八路军部队曾对秦皇岛进行过收复作战，但因实力不足未能取胜，未能将该出海口控制在自己手上。而美军的到来，则得到了日伪军的帮助，故顺利登岸。这次美军的登陆，为国民党军抢占东北，建立了一个前进据点。
没有美海军就拿不到秦皇岛。美军登陆后，积极抢修道路收集八路军情报，因涉及到国际争端问题，八路军亦不便贸然干涉。如此就为国民党军登陆准备了条件。从10月下旬起，庞大的美国舰队载着国民党陆军在秦皇岛靠岸。首先登陆的是国民党第13军2 万余人。该军是蒋介石的嫡系，在抗战中没打过多少硬仗，实力保存完好，一色的美式机械化装备，当然其中不少装备为美军淘汰的旧装备，但在国内战场上仍堪称一流。11月初，滇军第52军2 万余人也抵达秦皇岛。该军是由美舰由越南海防抢运北上的，虽然为半美械军，但滇籍老兵较多，有一定的战斗力，所以战斗力并不弱于蒋系第13军。
在美国的支持下，国民党军先后还进占了天津、北平、唐山等战略要地，尤其是秦皇岛的登陆，缩短了蒋介石嫡系部队由内地向东北运送的时间。随着国民党军在秦皇岛立足已稳，便企图沿北宁路继续北进了。
为了挡住沿北宁线北上的国民党军登陆部队，10月19日，中共中央指示东北局，“我党方针是集中主力于锦州、营口、沈阳之线，次要力量置庄河、安东之线，坚决阻止蒋军登陆及歼灭其一切可能的进攻，首先保卫辽宁、安东，然后掌握全东北，放弃过去分散的方针。”据此，东北局调整军事部署，遂将主力部队迅速集中于锦州、沈阳一线。
到了10月下旬，根据中共中央指示从各战略区调到东北的部队和干部，除少数在北满、东满地区配合东北抗日联军部队执行开辟新区工作外，主要分布于沈阳、安东、锦州为中心的南满、西满各地，并以位于锦州附近之冀热辽部队和冀中第31团，迎击国民党军从山海关或葫芦岛沿北宁路的进攻；由山东军区渡海前来之第6 师、第5 师两个团及部分地方武装负责营口、安东方面的防务。
陆续集结于秦皇岛的国民党第13军，在美国海军陆战队及其航空兵的掩护下，抢修通往山海关的铁路，逐步逼近山海关。
此时，山海关周围的中共武装计有：冀热辽军区第19旅之46团、47团；第22旅之64团驻防山海关；第15军分区第17团，第52团约2000人及3 个游击队1500人，共3500人围困遵化；16军分区2 个团（系收编的讨伐队）约1800人，加3 个游击队约2000人，共约3800人在丰润以东铁路沿线活动；17军分区第14团约1100人活动于丰润、唐山线；第49团约600 人在滦县一带活动；18军分区第56团约1000人，另3 个游击队活动于滦县以南铁路线。李运昌部虽然人数多，但多为进入东北后才扩编的新部队，战斗力很弱。另3 个小团在唐山附近活动。詹才芳部6000人由玉田调到抚宁。11月2 日，经由承德增援的山东解放军第7 师1 万余人赶到山海关。综合实力为2.7 万人。担任山海关防御任务的也只有万余人，而需要防御的阵地，从东南海边到西北九门口、田家岗、黄土岭计有50余公里。因此，困难重重。
而国民党方面的兵力截至11月4 日，塘沽至秦皇岛段有美海军陆战队第3 师1.8万人；国民党第13军、第94军之53师、121 师等部5 万余人；另有日军9500人，伪军1.7 万人，总兵力达8 万余人。占绝对优势。
蒋介石海运第13、第52军这一招着实厉害。是其在沿平绥、同蒲、平汉、津浦、4 条铁路线进兵受阻、“行政接收”东北计划受挫后，所走的第一步“好棋”。此着企图在于向东北大门山海关进攻，破关后再大举进兵东北，以实现其武力接收东北的新计划。
而此时，中共中央决定调往东北的大批部队和干部尚在北进途中。中共中央东北局、东北人民自治军遵照中共中央关于“坚决拒止蒋军登陆”。“放弃过去分散的方针”、“守住东北大门”、“竭尽全力霸占全东北，万一不成亦造成对抗力量，以利将来谈判”的指示，改变过去分散布置的部署，依靠已进入东北的部队，集中主力对北宁路榆锦段来犯之敌作战，以节节抗击敢于踏上黑土地的国民党军。
坐阵延安的毛泽东，在此前后不断接到国民党军北上的情报，凭着政治家的敏锐洞察力，他感到了一场大战将在东北爆发。11月4 日，他以中共中央名义电告东北局罗荣桓等，指出：“战争中心将转入东北，必有一场恶战。”同日，中央军委给林彪、彭真的指示电也提出：“11月至12月中旬将是蒋与我武装争夺东北的另一次高峰，战场是在辽宁南部、锦州、热河、冀东地区。我必须集中可能的力量，争取这次战略性质的决战胜利，奠定我巩固的大根据地。”
毛泽东此时把扼守山海关关门堵截蒋军的希望寄托在李运昌及其冀热辽部队身上。因为，第一，李运昌部最早进入东北，发展又最快，两个月时间部队扩军达8 万人之多，而且又是新枪新炮。直到10月上旬，李运昌还征用了不少马车运送武器，支援北上的各解放区来的八路军部队呢。第二，山海关是“天下第一关”，地势险要，长城在此依山傍海，蜿蜒而上，经义院口、九门口、角山寺形成一条防线，易守难攻。正因为如此，10月下旬，中共中央指示东北局，将山海关、锦州一线防御交给李运昌负责。
11月1 日，中共中央还直接致电李运昌日：你即在彭真、林彪指挥下担任山海关、锦州地区指挥作战、整编部队，运输干部等项任务。而以作战为中心任务，坚决歼灭北进之敌，不要回冀东。詹才芳编成之野战军及在山海关、锦州地区之一切军队及地方工作统归你指挥，而你则接受彭、林指挥。此时的李运昌心理压力很大。虽说现在手上兵强马壮，但兵力并不集中，大部分分散在辽西各个地区，现有的几个团目前仍在山海关至锦州一线摆开，真正守在山海关的部队仅有沙克的两个团。此外，冀东的八路军部队虽参加过八年抗战，但打游击战多，打正规的阵地防御战的机会却较少，部队能否战胜美械装备的正牌“国军”是他所担心的。
因此，在10月30日，李运昌电告中共中央：秦皇岛美军掩护顽军向我山海关驻军进犯，在石河发生冲突，该地情况不明。山海关只有新编……约2300人，战斗力不强，情况危急。速告杨国夫率部到山海关增援，此间部队分散沿岸，调不动。不少部队缺武器弹药，不能应战。
10月30日上午，美军和国民党军一部进攻海阳镇。
10月31日，美军和国民党军侵占北戴河。同日晚，另一部美军和国民党军向山海关以西的石河进攻，占据范家营、西富店、南李村、铁庄、东盐务、王家岭、太和寨等8 个村庄。
11月五日晨7 时，美军14人和国民党军300 人向昌黎东北之北宁路上留守营车站进攻，该地为国民党军占领。
同日，中共中央电示李运昌并告彭真：由李运昌在彭真、林彪指挥下担任山海关、锦州地区指挥作战、编整部队。运输干部等项任务，而以作战为中心任务。坚决歼灭北进之敌。
同日午后，国民党第13军两个连兵力犯海阳东北5 里之缨庄、张庄，另有美军乘数辆汽车率领芦台伪军一部向守军山海关前沿阵地作试探性进攻，被击退。
11月2 日，国民党东北保安司令长官杜聿明亲到秦皇岛督战。在这关键的时刻，为策应山海关自卫阻击战，山东军区第7 师师长杨国夫率领第19、第20、第21团，以强行军进抵山海关，并立即投入战斗，接管了山海关正面防御阵地。杨7 师是步行一个余月从山东赶到山海关的。杨国夫是安徽霍丘人，1929年参加红军，红军时期担任过团长，文化虽然不高，但为人精明强干，能征善战；是真正的军事指挥家。其所率的7 师是山东八路军的主力部队。当时是在长途跋涉，异常疲惫的情况下，硬凭着一些有限的轻武器抗击国民党军的。
山海关战役打响后，出现一个怪现象：由于国共双方彼此都缺乏了解，因此交手时都十分谨慎。当时据李运昌部估计由秦皇岛登陆之敌兵力有5 万人，加上美军和伪军达8 万人；国民党方面估计中共军队也有5 万之众，并且装备了东北日军的武器，战斗力很强。其实是蒋军过高地估计了守军的战斗力，所以行动谨慎，不轻易发动进攻，而是加紧构筑工事，摆开了正规、持久作战的架势。
11月4 日，国民党军第13军继续扩展占领北到石门寨南6 里之大王庄、小王庄一带，南至海岸，西到海阳，东至山海关八里处之石河地区。
同日11时，美军7 人乘汽车一辆驶进山海关47团阵地，被阻击，击伤、俘获美军7 人，缴短枪7 支。
此后，国民党军向山海关守军送出通碟称：限6 日退出山海关，撤出铁路100 里，否则，其第89师将大举进攻。
11月5 日晨7 时，国民党军向山海关以西之娘娘庙、二郎庙的守军阵地发动大举进攻。守军发扬英勇顽强、不怕牺牲的战斗精神，奋起反攻，夺回已失之阵地，将进攻之敌赶出山海关。
11月6 日，身经百战的杨国夫决定主动突击一下，于是利用是日夜暗，突袭山海关以西之孟家店和前后七里寨敌军，激战彻夜，毙、伤敌300 余人，俘敌50余人。
11月7 日，中央军委电示李运昌、詹才芳：美军直接向我作战，助顽向我进攻，我应坚决抵抗。所俘之美军7 人，应暂扣留，并向美军抗议，将二切情形及美俘之供词公开发表，速由新华社告延安，延安亦向美军总部抗议。但不应虐待美俘，应做争取工作。
同日，中共中央军委又给李运昌、黄克诚、詹才芳等发电指示：山海关附近已发生战斗。3 师部队到达冀东了解当前情况后，即取捷径向锦州前进，但是必须隐蔽，不要使顽军发现我军大部队进入锦州，可以从山海关以西以北离顽军作战地带数十里以外的地区，绕过顽军进入山海关以东的铁路线上前进。
11月8 日，山东第7 师又以2 个营兵力出击，夺回古城。黑河庄、红瓦店村等阵地。
打了胜仗后，就有了发言权。杨国夫向上级报告说，顽军特点是射击准确，火力强，指挥灵活，通信联络极好，每个阵地都安有电话。但害怕八路军刺刀见红，只要八路军一冲，该敌就后退。
李运昌是山海关战役的总指挥员，这时其担心才一扫而光。11月9 日，他向彭真。林彪致电说：目前顽军三个军已在秦皇岛登陆，数度企图进占山海关，均被我打回。应于目前固守山海关、九门口，而以助守石门寨、海阳镇，滦河镇，局限顽于狭小范围内。并不断以夜摸袭击动作消灭其分散驻守之敌，增加其物资生活困难，消灭其士气。顽大军久驻狭小范围，人地生疏，不能展开，吃烧均较困难，后兵舰撤走则等于瓮中之鳖，不难全部歼灭，东北可无大忧矣。
山海关前线的乐观情绪传到延安后，毛泽东于门月门日在给梁兴初的电报中也认为“顽军火力盛，士气低。”“最怕冲锋，一冲即溃。”并认为山海关一线如能坚持一个月两个月，于大局极有利。“然而山海关的实际战况与想象完全不是一回事。
11月8 日，国民党军最骁勇善战的将领之一的杜聿明来到秦皇岛，秉承蒋介石打出山海关，武力占领东北的旨意，立即召集13军将领会议。在会议中，当杜聿明听到13军军长石党所谓共军火力强大，不可轻易进攻，建议加强工事，稳固防守等的汇报后，十分惊讶，他根本不相信石觉等的汇报。经实地勘测后，他召开营以上军官会议，专门布置了进攻事宜。
11月9 日，国民党军继续向山海关镇和抚宁进攻。山海关守军顽强反击。第13军重新调整部署，将其主力一部转向石门寨至九门口方向进攻，形成对山海关的迂回态势，但仍无大的进展。
11月10日，中共中央电示东北局：目前只争半个月，半个月内黄永胜、文年生两部5000人，梁兴初、黄克诚两部4 万多人必能到沈阳、锦州线。望今山海关我军坚持半个月，即有办法。
11月11日，在杜聿明等指挥下第13军在美军飞机掩护下，再次向山海关发动猛烈进攻。守军各部队在南自海边，北至九门口、城子峪、黄土岭的百里防线上，顽强阻击，战斗异常激烈。各阵地与数倍于己的国民党军浴血苦战，打退其多次进攻。
11月12日，国民党军一个营攻占山海关南龙腰阵地。
11月14日14时，中央军委给山海关前线指挥官李运昌。沙克发电指示：山海关、绥中、兴城之线，必须坚守，掩护主力黄梁集中锦州，时间至少三星期，多则两个月，望动员民众，构筑多道防御工事。
11月15日，中央军委给林彪、彭真、罗荣桓回电：你们11月15日给黄梁、杨国夫电已转去，并令他们依照你们电令以先头一部，配合杨国夫，打击山海关、义院口方面之顽军，主力迅速转到绥中、兴城之线。
11月30日，由越南海防海运至秦皇岛的第52军赵公武部全部登陆。14日，杜聿明重新下达了进攻命令。他重申了蒋介石的“连坐法”规则，吓得各级军官谁也不敢消极怠慢了。
15日，以第13军全部及第52军主力共5 个师，在炮兵和飞机配合下，猛攻守军阵地，并以第52军之25师和第13军之89师出九门口，经角山寺东麓对山海关守军侧背的薄弱部位进行包围。
杜本人也亲自督战。由于敌我双方实力悬殊太大，杨国夫的7 师尽管全力阻击，但也拦不住强大敌人的全力冲击。
杨7 师顶不住了。他及全师从山东由陆路长途行军至山海关，没经休整即投入战斗。当时幻想到东北后能拿到新枪新炮，但到了山海关才发现根本不可能。战斗中与山东地区完全不同，没人送饭送水，甚至连伤员都找不到人抬。左右配属的部队，大多是临时“扩军”凑合起来的部队，一听见炮响就四下溃散。当杨国夫得悉九门口、义院口均已失守，如再不转移，全师将有被合围的危险情况后，没等李运昌的命令，于16日早撤出山海关，沿北宁路后退，仅留下少数部队担任掩护。
16日早晨，国民党第13军向山海关正面发起总攻，然而得到的回答是一片寂静。
后来，杜聿明才知道，守卫山海关的中共主力已于16日晨撤出了山海关。
对于撤退的原因，李运昌这样说：“从11月8 日至16日，敌以7 万人向山海关九门口正面进攻，激战多次均被我军击退，乃以三个团出城子峪口，迂回山海关和九门口侧后，企图包围我军。我因兵力不足，无预备队阻击敌人，在敌众我寡的不利形势下，不得已于11月16日撤出山海关。是日下午，13军与52军一部在山海关以东地区会合，蒋军终于占领了山海关城，打开了陆路通向东北的大门。”
山海关阻击战，前后激战半月余，迟滞了国民党军进攻，有效地掩护了新四军3 师、山东解放军等主力部队进入东北，并为日后战胜国民党军积累了经验。