5 月15日，四平决战进入第三阶段，也是最后阶段和最为惨烈的阶段。在杜聿明指挥下，国民党军各部分成3 个兵团同时开始向四平发起疯狂攻击。
左兵团为第71军第87、第91师，向四平以西八面城、四平以北梨树进犯；中兵团为新1 军3 个师，仍向四平近郊进攻；右兵团为新6 军第14师、第22师及第力军第88师，沿开原至西丰及开原至叶赫两条公路前进；第195 师为预备队。
在进攻中，廖耀湘的新6 军等部进攻最为得力。当新6 军经莲花街北进时，遭到民主联军第3 纵队有力杀伤。但新6 军充分发挥机械化优势，只以小部队与第3 纵队在阵地上厮杀胶着，大部队则依靠600 辆汽车北进。由此冲破第3 纵队防线，进入四平东侧“，相继占领西丰、平岗、哈福车站，尔后直扑四平外围防御要地塔子山和三道林子。
中兵团分为两翼攻击。其右翼50师，15日以10倍于民主联军守军的兵力占领了四平以东的258 高地。16日再度强攻万毅纵队扼守的3315高地，冲锋7 次均被击退，伤亡600 余人，守军亦伤亡200 余人。17日，第50师增调坦克，从正面再攻3315高地，并以1 个团侧翼迂回，终于占领该高地，从而威胁了四平守军外围制高点塔子山。
中兵团左翼新38师，在连续两天炮击三道林子、北山阵地后，又于17日上午，在7 架飞机、20门大炮掩护下，‘以1 个营的兵力向该阵地猛攻。高不及20米，宽不及100 米的小山岗上，承受着平均每分钟落炮弹100 发的轰炸。民主联军守城部队冒着强大炮火，待敌逼近阵地，即与之展开白刃格斗，国民党军遗尸360 余具在阵地前，进攻受挫。
进攻四平的左兵团第71军于5 月15日以两个四轮番向四平西北罐子洞、海清窝棚的民主联军第二师阵地进攻，发射炮弹3000余发，冲锋10余次，均被第1 师以少数兵力击退，毙、伤其300 余人，击伤第91师师长赵琳。至此，塔子山阵地遭到国民党军西、南、东3 面包围。
塔子山位于四平东南10公里处，居东部群山之首，为守城防线的最东端，可俯瞰四平守军东北方向全部阵地。塔子山的得失，关系到四平全局的安危，是四平外围最重要的制高点。为增强东线防守力量，林彪将第3 师第10旅东调增援。
5 月18日，新6 军首先以极为猛烈之炮火向塔子山轰击，继以飞机反复扫射，然后以二个营在坦克配合下由东面发动进攻。守备塔子山阵地的第3 师第7 旅第19国沉着应战，打退其第一次冲锋。新6 军继以更猛烈的炮火，从前沿阵地至山顶给以逐次排击。方圆不过七八十米的山头，不到5 分钟即落炮弹数百余发，有的阵地被炸平。第19团即以大石头为掩体，继续坚守，并打退对方第二次冲锋。上午，新6 军集中全力对塔子山进行更大规模的攻击，守军奋勇拼杀，终因新6 军兵力火力强大，东调增援部队一时赶不到，塔子山阵地失守。
塔子山的失守，不能怨部队打得不好，也不能怨林彪指挥的不妥，应当说，部队打得相当英勇，牺牲了许多老八路、新四军骨干，甚至还有老红军骨干，指战员们尽了力了。林彪的指挥也是非常具体、非常到位的，其命令中已经讲到了“不惜一切牺牲”这样的语词，但终究因为实力不及国民党军而失利了。林彪明白，此时四平已不能再守了，应该考虑撤退了。还在17日他就预料到这一结果，于是把总部的陈正人和陈沂两位部门领导人找来，指示他们起草撤退的电报。林彪说：估计敌人明天就可占领塔子山，廖耀湘必定要以全力攻塔子山。塔子山如果失守，敌人就可以从我侧后迂回，封闭四平守城我军的退路，那时我们就完全处于被动，而且有被歼之危险。我们已经大量消耗了敌人，并赢得了时间。我们的保卫战是胜利的，特别是我们每一个部队，都在一定程度上得到了锻炼，……可惜我们后面没有好好珍惜和利用这个时间。
……和平空气，在我们今天东北是最害人的。我们对全部美械装备的敌人还是估计不足，3 纵的防线被新6 军迅速突破，影响保卫战的全局，这是最大的教训。
林彪17日的预料是正确的。果然18日一大早培子山危急了，林彪向毛泽东发出了告急电。告之中共中央情况危急。此时中共中央尚未回电，林彪也顾不得了，于18日下午6 时，不等中共中央回电即果断决定，7 师于三道林子北山，7 旅于四平东南高地掩护全线撤退。
随着林彪撤退令的下达，四平地区民主联军立即行动，21日，市区部队开始后退，由于退得隐蔽，国民党军竟毫无察觉，仍在一股劲地往撤空的阵地打炮。林彪即致电毛泽东报告情况，电文：中央、东北局：敌本日以飞机大炮坦克掩护步兵猛攻，城东北主要阵地失守，无法挽回，守城部队处于被敌切断的威胁下，现正进行退出战斗。
林巧亥24时前，城区及外围部队全部撤完。由于组织严密，至天明，部队已撤离四平20余公里，国民党军丝毫未发觉，仍不断向市区射击。5 月19日13时，被民主联军打怕了的国民党军才敢进入市区。
中外瞩目的四平保卫战历时31天，以东北民主联军主动撤离宣告结束。国民党军被毙伤1 万人以上，东北民主联军也付出了8000人（多为参加过抗日战争的老骨干，营团干部中还有相当部分人员为老红军）的沉重代价。
四平保卫战是东北局、东总在中共中央的指挥下进行的。这次作战，中共中央给予了充分肯定。5 月19日，毛泽东致电林彪：“四平我军坚守1 个月，抗击敌军10个师，表现了人民军队高度顽强的英勇精神，这一斗争是有历史意义的。”
四平保卫战迟滞了国民党军北犯进度，为建立和巩固后方根据地赢得了时间。国民党军4 月2 日占领四平的计划在东北民主联军的抗击下，被迫推迟了48天。在此期间，东北民主联军解放了长春、齐齐哈尔、哈尔滨等城市；后方各地方政府积极发动群众反奸清算，打击敌伪残余，清剿土匪，建立地方武装，为建立巩固的东北根据地打下了基础。
四平保卫战消灭国民党军大量有生力量，打击了其嚣张气焰，提高了东北民主联军指战员同国民党军作战的信心。
四平保卫战是中国共产党争取东北停战，阻止国民党扩大东北内战前提下进行的尖锐军事斗争。它打击了国民党企图以军事力量独占东北的野心，显示了中国共产党坚持东北和平民主斗争的坚强意志，有助于和平谈判的进行，其政治意义极为重大。
四平保卫战是东北解放战争过渡阶段的一次大规模城市防御战，在战略上具有重要意义。在战斗中消耗了国民党军大批有生力量，东北民主联军也付出相当代价。因此，中共中央在肯定四平保卫战意义的同时，也指出：四平防御战为一时特殊条件所致，不能成为一般的作战方针。
四平决战这段历史，一直是后来中共党史、军史上一个颇有争议的问题。其中具有代表性的是韩先楚老将军的观点，韩老将军说：四平保卫战，是在特定历史条件下形成的城市防御战，虽然取得了毙伤敌人1 万余人战果，阻滞了敌人的进攻，但在我军处于劣势情况下，过多的看重了一城一地的得失，与敌进行不利条件下的作战，在战略上是失策的。我军动用不少兵力，以浅近的防御纵深，在兵力、火力并不得心应手的状态下，在那样长的战线上，打那样长的时间，部队打得相当苦，有的甚至丧失了元气。我军虽然打得很英勇，也取得了作战的经验和教训，但付出了8000多战斗骨干伤亡的代价。由于我军果断地撤退，摆脱了战略上的被动，又一次避免了不利条件下的决战，保存了有生力量。经过四平保卫战和大撤退的反面教育，彻底消除了和平幻想，对东北全党全军在和战问题、根据地建设问题上统一思想，产生了积极影响。
韩先楚老将军的这个说法，可以说代表了当年参加四平保卫战的绝大多数老战士的观点。
据老将军苏静回忆，当年陈云在给高岗的一封信中说：避免锦州决战和成功地指挥四平撤退，作为共产党人进入东北七个月来的两件大事。如果这两件大事有错误的话，东北很难有以后的大好形势。
但是，作为驾驭中国革命全局的毛泽东却坚持认为四平保卫战是正确的。因为这是全国斗争形势的需要。为了抗拒蒋介石的军事压力，以争取和谈中的有利地位，就是要与蒋军决战一场，让蒋介石和美国人不敢小视共产党。所以中央才考虑进行四平决战的。一直到了1959年庐山会议期间，毛泽东与黄克诚说起四平保卫战时，仍持这一观点。
据黄克城回忆：当谈起四平保卫战时，毛泽东问我：“难道四平保卫战打错了？”我说：“开始敌人向四平推进，我们打他一下子，以阻敌前进，这并不错。但后来在敌人集结重兵寻找主力决战的情况之下，我们就不应该固守四平了。”毛泽东说：“固守四平当时是我决定的。”我说：“是你决定的也是不对的。”毛泽东说：“那就让历史和后人去评说吧。”