这时的沈阳已经是乱作一团。沈阳的混乱情况，从卫立煌离开的那一刻起就表现得相当突出。
为了将卫立煌接走，杜聿明和国民党空军冒险派去了两架飞机。飞机未敢在北陵机场降落，而是降落在较小的民用机场浑河机场。飞机刚停，卫立煌还未走到飞机旁边，先闻讯赶到机场的其他官员都纷纷挤了上去，挤得连机舱门都关不了。机组人员当然不敢起飞，只好骗上了机的官员们，说是飞机发生故障，不能起飞，请大家先下去，在减载的情况下帮着推动飞机，待飞机发动之后，大家再依次上机。与此同时，机组人员又悄悄通知卫立煌，要他速去东塔机场，只有在那里他才可能上机。当飞机上的官员下来推飞机时，飞机突然关上舱门，起飞而去，地面有受伤的、有骂娘的（他们的行李箱还在机上，其中不知有多少逃命时携带的金银财宝），一片鬼哭狼嚎，而原来未挤上去的则在一边嬉笑挖苦。就在这种情况下，卫立煌等人的汽车转到东塔机场。飞机转到东塔机场时，东塔机场也是一片混乱，卫立煌是先上了一辆大卡车，把卡车后门对着机舱门时，机舱门才打开，这才保证了他能顺利上机。卫立煌上机之后，紧随其后而有幸挤上去的有卫立煌的参谋长（刚任命为兼任新六军军长）赵家骧、国民党东北政务委员会副会长高惜冰、辽宁省省长王铁汉、安东省省长董彦平、沈阳市市长董文琦、新一军军长潘裕昆、新三军军长龙天武。其他未能登机的被卫立煌的副官和卫士强行挡住，哪怕是已挤上飞机的如国民党合江省省长吴瀚涛等人都被踹下了飞机，嫩江省省长彭济群从梯子上摔下来摔伤了腰，被人抬回了家。虽然如此，官员们仍然拼命往上爬，有的干脆爬到飞机机翼上不下来，还有人砸碎飞机的窗玻璃向里钻。在这种情况下，赵家骧耍了个花招，他告诉那些官员们说，马上还有4架飞机来沈阳接人，他已经安排编组，并当场宣布了分4个组登4架飞机的官员名单，让每个渴望上机的人都心中有数。这样，爬上飞机机翼上的官员才下了飞机，卫立煌才得以起飞。为此，当卫立煌的飞机降落在葫芦岛，见到前来接他的杜聿明时，说了一句“差一点见不了面”的话。
卫立煌等人走了，沈阳城中就只留下了奉命守城的周福成。周福成手下总共还有大约8万人，除了他的五十三军两个师之外，还有青年军二零七师的两个旅、新一军的一个师、四个相当于师的守备纵队和一些从各地逃进沈阳市的散兵游勇。周福成是一个军阀味很重的旧军人，为人顽固不化，甚至近乎愚顽，到这时还在想着卫立煌离开之后他如何来过两天盼望了一辈子的东北军政最高长官的瘾，还在想要如何守城。可是他不知道，他的部下早就在和我方人员接触谈判，早就在酝酿起义投诚了。
五十三军是原来张学良的部队，是当时全国已经不多的老东北军，并非蒋军嫡系，部队中不少人过去和我党我军有过接触，所以东北局一直就在做五十三军的工作，争取他们能离开蒋介石，弃暗投明。
五十三军副军长赵国屏早在东北军驻陕西时，就和我党情报部门负责人李克农等有过接触。1947年秋天，当时的东北局负责人吕正操就派联络员李书城给他带过信，要他把握时机，有所行动。这以后，他就和李书城有一些联系。当卫立煌走后的10月30日晚上周福成召开军事会议，研究守城问题时，赵国屏见到会的军官都认为不能再打，就大胆地劝周福成不要再打，放下武器。周坚决不同意，还布置他的两个副官想法枪毙赵国屏，副官却坚决不干。周福成知道大势已去，就写了一张字条给赵国屏：“国屏弟：事已至此，我无能为力，希你善其后罢。我走了。”周福成就这样离开了指挥部。
五十三军一三零师师长王理寰与我党的联系更多。1948年5月，五十三军在开原战役我军俘虏的四个师级军官被释放，给王理寰带来了他在东北讲武堂时的老同学吕正操的亲笔信：
近闻师次黄龙，整军银川（按：黄龙是开原的古称，银川是铁岭的古称），遥为钦佩。讲武同学，星散各地，均乏联系。监督汉公（按：指张学良）身在囹圄，安危莫保；西安义举，吾侪当不忘其苦衷。东北沦陷，家乡涂炭，十几年来无人挽救。日寇降后，方期重见天日。不料内战又兴，荼毒生灵。
是非进止，早在洞鉴。兄举足重轻，跷希以待。弟吕正操鞠躬。其他同学请代致意，又及。
这封信给了王理寰极大的震动，便打算今后“俟机稳准图之”。
1948年7月10日，我党派王佩青与王理寰建立了直接联系。当廖耀湘兵团兵出辽西之后，王理寰就与五十三军的一些军官进行商议如何放下武器，并准备在必要时解决对蒋家王朝最忠心的青年军二零七师。这时，东北局哈尔滨广播电台不断播放东北的知名民主人士高崇民、张学思、吕正操、车向忱、阎宝航等人劝告五十三军为保全家乡父老的生命财产而放下武器、举行起义的讲话，对五十三军官兵产生了不小的影响。10月29日，在接受我党委托在沈阳进行联络工作的东北著名民主人士、曾任国民党立法委员、国民参政会参政员的王化一的安排下，和我党有联系的一批高级军官在王化一家中开了一次重要会议，参加的有五十三军一三零师师长王理寰、新一军暂编五十三师师长许赓扬（暂编五十三师原来不是新一军的队伍，而是东北的地方部队，是在新一军到东北之后才编成一个师划归新一军的，许赓扬本人是东北军出身，与五十三军关系密切，此时也在与我军接洽起义）、国防部东北军法执行分监部主任赵毅、沈阳第二守备总队总队长秦祥征等，到会者都同意发动起义，并对各有关事宜进行了研究和分工。对于最难解决的卫立煌和周福成，决定采取送卫离沈和劝周起义的办法。王理寰在卫立煌离沈前和卫谈话时，卫立煌告诉他已经知道了他们开会的事，卫说：“你们在王化一家开会，对沈阳有办法了。我就走，你们好自为之吧！”也就是说，卫立煌对他们准备沈阳起义给予了默认，这对沈阳的起义无疑是一个十分有利的条件。在和沈阳城外的东野独立二师进行联系之后，王理寰、许赓扬等人在10月31日就成立了“和平解放沈阳委员会”，正式举行了起义。委员会成员有王化一、赵毅、王理寰、胡圣一（东北民主人士，时任国民党辽宁省政府田赋粮食管理处处长）、许赓扬、秦祥征等。为了便于与各方协调关系，主任委员由东北抗日名将、时任东北“剿总”高参室主任苏炳文担任，因为他曾是周福成的上级。这样，沈阳城中的国民党军队除了青年军二零七师之外，全部放下了武器。
11月1日凌晨，我独立二师通过暂编五十三师的防区进入沈阳。接着，我东野主力一纵、二纵、十二纵和其他几个独立师也陆续进入沈阳。11月2日，三个主力纵队在沈阳老城会师。用当时亲历者的话说，是“解放军分四路入城，人人相安，鸡犬不惊，秩序井然”。原来与我党已有联系的第二守备总队总队长秦祥征还出动了宣传车6辆，在城中大街上进行欢迎解放军和维持秩序的宣传，不少市民跟在车后欢呼。
沈阳就这样宣告和平解放。东野总部决定先由三纵政委罗舜初进城，处理一些紧急事务。
这时，需要解决的问题还有两个，一是国民党的守城司令周福成，一是青年军的二零七师。
周福成被他的部下安排在世合公银行大楼中，各方面为劝他起义做了不少工作。苏炳文是他的老上级，赵毅是他的老同学，王理寰的副师长夏时是他的连襟，劝他都无效，连他的亲女儿带着张作霖夫人的亲笔信特地从北平乘飞机来做工作都无效，他还叫喊要枪毙他的女儿（愚顽不化的周福成做梦也不会想到，他的亲生女儿早已是中国共产党的地下党员）。
在这种情况下，部下们只有离他而去。当我军进城之后，二纵六师的前卫团十六团一连连长黄达宣带着两个排沿中华路、马湾路一线搜索，11月1日拂晓，他们来到大西门里的世合公银行时，见楼中有敌人，立即进行包围喊话，无人答应，他们就冲了进去，也无人开枪，里面有一个排的国民党士兵，有的坐着，有的躺着，桌子上扔了不少手枪。黄连长问他们当官的在什么地方，这些兵都用手往楼上指。黄连长带着人上楼之后，只见一个军官走了出来，对黄连长说：“我是周福成，我们正在和你们商量投诚事宜。”黄连长不知道周福成是何许人也，只觉得太可笑，现在都什么时候了，还来谈什么投诚？于是就把周福成送到俘虏队伍中去了。
青年军二零七师的全体官兵都是从各部队挑选的国民党党员，十分反动而顽固，这时在沈阳有两个旅（还有一个旅被调到廖耀湘兵团在辽西会战中被消灭），驻扎在沈阳的西南部。五十三军的起义军官曾努力做过其中一个旅一些军官的工作，希望能拉出一部分人参加起义，但没有结果。东野总部首长曾专门下达了捉拿该师师长戴朴的命令：“二零七师师长戴朴极端反动，已令其部属焚烧物资，望各部注意清查逮捕，以便战后依法处办。”但戴朴已在混乱中化装逃跑，故而未能捉拿归案。不过也由于戴朴已逃跑，所以该师在我军的压力下无法形成有效的反抗，10月31日下午，我十二纵和二纵在对沈阳进行包围时，就在小郭庄与二零七师交了火。由于敌人事先制作了不少用3厘米厚钢板焊成的“活动碉堡”，可以在里面推着走，犹如人力装甲车一般，曾让我先头部队遇到了阻力。第二天，我军的大部队到了，集中了18个炮连对敌人进行轰击，然后冲到近处拼刺刀，在苏家屯消灭了二零七师1.3万余人。
与此同时，我一纵也在10月31日赶到沈阳，并在铁西区与二零七师交手，攻破了敌人的防线，进入城内。二纵也从铁西区向城中的纵深前进，在火车站附近的一座大楼内抓获了二零七师新一旅旅长李庄一以下4200多人。11月2日，我军独立第十二师和十三师在东大营拿下了二零七师的最后一个据点，另一部分在乔家窝棚企图以假投降来寻机逃跑，未能得逞，也被我军歼灭。歼灭二零七师，是我军解放沈阳过程中进行过的真正意义上的战斗。
我军在解放沈阳的过程中，一共歼敌13万多人，其中有将级军官106人；缴获了大量的武器与物资，其中有大炮1685门、机枪4811挺、步枪7万多支、汽车841辆、坦克43辆、装甲车114辆。这是我军战史上第一次在一次战斗中获得如此多的军用物资。我军在沈阳还有一个极为重要的收获，就是完整无缺地接管了当时中国最大的兵工厂沈阳兵工厂。沈阳兵工厂的中将厂长陈修和是陈毅的堂兄，为人正派，倾向进步，在他的艰苦努力之下，抵制了国民党政府多次要他迁厂或炸厂的计划，将设备8000台、职工1.2万人的大兵工厂完整地保护了下来（该厂每月生产的枪支弹药就可以装备一个师），将大量的弹药和设备交给了东北局，为支援全国的解放战争发挥了巨大作用。