辽南三捷，使沈阳以南的中长路和营口线被解放军控制，国民党海上运输线被切断，锦州和沈阳之间的交通亦被完全断绝。在这一情况下，卫立煌不得不进一步收缩兵力，固守长春、四平、沈阳、锦州等要点城市，等待关内援兵，以图再举。
此时，蒋介石已深知国民党被迫撤离东北只不过是时间早晚的问题了，他担心的是一旦国民党军撤出，东北我军主力人关，将使华北双方力量对比发生很大变化。所以，他一方面极力进行撤退准备，令沈阳空军机关撤到北平，将驻沈高级军官的眷属纷纷撤回关内；另一方面又令卫立煌竭力固守据点，延迟时间，消耗我军力量。
在第二阶段作战期间，中央军委主席毛泽东电示林彪、罗荣桓、刘亚楼并告中央工委的朱德、刘少奇：由于我军连续大打胜仗，蒋军从东北撤退的可能性就将突然增长，你们应该准备对付敌军由东北向华北撤退之形势，因此你们准备于一个月内完成现地区之作战，而于一个月后再进行一次战役（包括打几仗），然后进入大休息，准备应付上述可能的新形势。对我军战略利益来说，是封闭蒋军在东北加以各个歼灭为有利。
中共中央的指示高瞻远瞩。东北野战军决心利用冰雪尚未解冻，便于机动作战之机，转兵北上，夺取战略要地四平，彻底切断长春与沈阳国民党军之间的联系，进一步孤立长春、吉林。2 月25日10时，林彪就下步作战部署报告毛泽东：东北主力拟于对日起，乘解冻之际迅速渡过辽河，围歼四平之敌并打援。当天24时，毛泽东回电：“完全同意二十五日十时电的部署计划。”
为实现这一作战目的，林彪、罗荣桓进行了周密的作战部署，决定以1 纵、3 纵、7 纵、独立第二师及东北炮司的主力8 个炮兵营的绝对优势攻打四平，由一纵司令员李天佑、政委万毅负责统一指挥。
同时，命令独立第5 师迅速进到四平以北，防敌向长春突围，并派出一部分兵力袭击四平机场，断敌空援。为确保夺取四平的胜利，以2 纵、6 纵、8 纵、10纵和独4 师、辽东李红光支队进至昌图、开原地区，准备阻击由沈阳出援之敌。以9 纵活动于锦沈铁路线上，4 纵由营口地区向本溪前进，牵制敌人。以独立第6 、第7 、第8 、第9 师进逼吉林、长春、监视并钳制两城之敌；独立第10师进至长春以南，阻击长春之敌南援。
预定的作战方案是：在我发起对四平总攻前，如果沈阳之敌北援，以打援为主；反之，则以打点为主。
四平位于长春、沈阳之间，市区面积10平方公里，人口12万。四平城市并不很大，但它的战略地位却极为重要。它南通沈阳，北连长春，东经海龙至吉林，西经郑家屯至齐齐哈尔，是南北东西铁路交通的枢纽，是东北战场上国共双方在军事上政治上必争的战略要地。从1946年初至1948年初的短短两年的时间里，双方在四平城下已有四次交战，这在全国任何一个战场上都是少见的。
此时，国民党四平守军约1.9 万余人，虽战力不强，且城大兵少，但守军吸取过去坚守四平的经验，对旧防御工事进一步加修和改造，构成了更加完善的城市筑垒防御体系。
2 月27日，林彪下达进攻四平的命令。
2 月28日，担任攻打四平的各路部队开始向预定集结位置开进。3 月2 日，完成了对四平的包围。担任打援的部队也按时到达了集结地域。
3 月4 日四平外围战打响，至3 月8 日，各攻城部队基本上肃清四平敌人的外围据点，7 纵和3 纵分别攻占了城北三道林子与小红嘴、179 高地，占领了瞰制全城的制高点，为攻城创造了有利条件。
经过精心准备，3 月12日凌晨，围城部队对四平发起总攻。
这一天，雪后初晴，四平大地银装素裹。6 时，开始炮火试射。与此同时，攻城部队人人披上白色伪装服，按预定计划迅速而隐蔽地进入出发阵地，静静地等待激战时刻的到来。
7 时40分，在三道林子指挥所里，李天佑司令看了看表，果断地下达了攻击命令。几乎在同一时刻，所有大炮齐声怒吼，无数炮弹像急风暴雨般倾泻在国民党守军前沿阵地上。仅7 分钟炮火急袭，就将守军阵地的地堡群大部摧毁。
接着，一炮火向纵深延伸射击，突击部队立即发起了冲锋。
经过一天激战消灭守军大部。13日拂晓，经过重新组织和准备，在炮火掩护下，对最后一股残敌发起猛攻，战斗至7 时，将守军全歼。
战斗仅仅进行了23个小时，解放军就收复了四平。
由于解放军部署周密，在围攻四平期间，沈阳、长春国民党军始终未敢出援。
随后，解放军收复吉林。
至此，从2 月上旬开始的冬季攻势第二阶段作战胜利结束，共歼东北国民党军近10万人。
尽管蒋介石在东北三易主帅，卫立煌接任后曾声称要死守东北，却无法挽救他们被歼的命运。历时三个月的冬季攻势胜利结束了，我军在东北广大民群众的全力支援下，野战军与地方武装密切配合，共歼灭国民党军1 个军部、8 个整师，共计15石万余人，另有1 个整师起义。此次战役，收复18座城市，解放了人口618 万、土地10.9万平方公里的地区，切断了北宁、中长铁路，将东北国民党军压缩在长春、沈阳、锦州3 个孤立地区，圆满地完成了预定的作战的任务。3 月15日，中共中央致电林彪、罗荣桓、高岗、陈云，祝贺收复四平大捷及冬季攻势取得的伟大胜利。
冬季战役中，东北国民党军损失惨重。陈诚在东北脸面丢尽，他在请求辞职时痛心地承认：“我来东北5 个月，没有任何作为，损兵10万，师以上指挥官被俘30，失城18，人口500 余万……”
其实，陈诚的检讨还是保守的，东北解放军两次攻势，一共使东北国民党军损失近20万人。
到了1948年春夏。蒋介石在东北的形势已是发发可危。他的50余万部队被东北解放军分割围困在长春、沈阳、锦州几个互不连接的孤立据点内，控制东北的总面积只有3 ％，并且士气低落，补给困难。长春、沈阳两座大城市基本靠空投物资提供补给，情形十分严重。而东北解放军却越来越壮大，加上地方部队总兵力达到70余万，兵力占优势，装备也比较好，于是，在经过充分的准备之后，1948年秋天，毛泽东指挥林彪、罗荣桓、刘亚楼，发起辽沈战役，在东北的黑土地上，打开了震撼世界历史的战略大决战的帷幕。