解放军攻克沈阳，最后一个目标便是营口。
营口位于渤海辽东湾东北岸辽河入海处，是国民党军海上撤离东北的唯一出海口。
在辽西战役打响之前，为接应廖耀湘兵团及沈阳部队，10月23日，位于辽阳、鞍山一带的国民党第52军奉命开赴营口，途中仅在海城遭遇解放军地方武装抵抗，于24日占领营口。
营口，对于辽西及沈阳国民党军队来说，是一个撤逃通道；对于52军来说，是一个绝处逢生的立足点，当无法立足时，便可“下海”逃走。
因此，24日这一天，52军全军一片欢腾，接着便开始了紧张的工事修筑工作。
然而，充满逃生希望的日子没过几天，27日晚，军长刘玉章收到“剿总”电报，称廖耀湘兵团情况不明，令52军星夜驰援沈阳。
刘玉章无可奈何，只好决定全军返回沈阳，参谋长廖传枢却劝阻说：
“这一去便是肉包子打狗，离开营口，前后失据，至多到鞍山就会遭到侧击，明明就是去送死。”
廖传枢想了下又说：
“牛庄、盘山已有敌情，总部知道吗？”
刘玉章转身问副参谋长刘朝槐，刘朝槐吞吞吐吐答：
“得到这个情报时，部队已经出发。”
“这就是说，总部可能还不知道！”廖传枢说。
刘玉章心领神会，立刻吩咐廖传枢：
“你马上起草个电报，发给总部。”
廖传枢随即坐到旁边的小圆桌前起草电报，内容为：
“盘山方面有共军大部南下，先头已抵牛庄，判断我军至鞍山附近必遭侧击，援沈无望，进退失据，不堪设想。究应如何，乞立电示。”
28日凌晨4点，“剿总”回电。军部的军官们闻讯，都急不可待地围到译电员身边，译电员译一个字，大家看一个字：
“来电悉，该军固守营口，已电总统派舰来接。”
刘玉章简直不能相信自己的眼睛，军官们更是个个喜上眉梢，第25师师长李运城立刻跳起来，奔出门登上吉普车就去追赶已经北上的先头部队刘明奎团。
此时刘明奎团已经到达海城附近，接令后立即折回，于当天中午回到营口。
从外表看，52军危机解除，一切显得风平浪静，但军部里的工作人员却一个个焦头烂额，天天向沈阳、葫芦岛催问船只，生怕船舰来迟，解放军逼近，无法逃脱。
而此时，东北野战军司令部已于27日辽西会战接近尾声时，对攻占营口做出部署。这一天，“野司”下令：7纵、8纵、9纵，独立第2师，内蒙古骑兵第1师，向鞍山、辽阳、海城、营口追击。
当晚23时半，中央军委亦致电“野司”，指出：
“望以有力兵团（不少于3个纵队）星夜兼程东进，渡辽河，歼灭营口、牛庄、海城一带之敌，阻塞敌人向海上的逃路。”
7、8、9纵队，独立第2师等部，在9纵司令员詹才芳、政委李中权指挥下，自辽西战场，向辽南火速行进。
由于日夜兼程，野战军战士们疲惫不已，时常走着走着便打起瞌睡，甚至困极倒地。为避免掉队，有的连发给每个班一根绳子，由班长牵绳头，副班长拉绳尾，一个班的战士们在中间，各个拽住绳子，这样便可以边走边打瞌睡而不至于掉队。
在这种顽强毅力的支持下，经过4到6天的日夜兼程，解放军各纵队先后逼近营口。其中9纵第25师于10月30日率先抵达营口远郊，随即投入肃清营口外围国民党守军的战斗。
国民党军为掩饰其逃跑意图，将野战军阻止在距离营口较远处，派步兵一营附山炮一连，向解放军9纵第25师展开猛烈进攻。
就在这天黄昏，国民党军舰队司令马纪壮率两只炮舰抵达营口，称登陆艇和商船要在葫芦岛卸空后才能开来。
10月31日，登陆艇与商船终于来到海口，但因落潮水浅，无法驶向岸边。
11月1日上午，几只大小不一的登陆艇和一艘商船终于靠岸；负责掩护撤退的海军司令桂永清也随“重庆号”巡洋舰及“峨眉号”运输舰，以及招商局的几只小火轮来到营口。但桂永清担心兵舰遭到解放军炮击，不敢靠近海岸，只将兵舰停在营口外海，以炮舰对岸上盲目射击，作为掩护第52军撤退的火力援助。
52军终于等来船只，全军上下兴奋不已。刘玉章见人多船少，决定将车辆、马匹、辎重等全部扔掉。为了保证撤退顺利，决定利用外围据点工事，留30个排哨掩护撤退。每个排哨配备卡车一辆、电话一部。在大部队登船时，排哨必须死守掩护，待大部分部队登船后，所有排哨立刻驱车直奔码头登船。
11月1日下午，野战军大部队抵达营口附近，并与52军25师发生激战。
刘玉章得到消息后，为避免野战军靠近营口，影响晚上的撤退，令军部辎重团冲入25师师部所在的村落，对解放军进行猛烈袭击。
解放军战士们虽以最快速度逼近营口，但重武器没有跟上，加上从锦州战场急行军至辽西战场，激战两天，又从辽西战场日夜兼程奔赴营口，已经身心疲惫，战斗状况不佳，黄昏时支撑不住，向大石桥方向转移。
刘玉章派少数部队佯装追赶，以此掩护主力部队迅速撤离阵地，悄悄向码头行进。
夜间11时，各特种部队已经登船，步兵部队刚刚抵达码头，刘玉章、廖传枢等人也登上马纪壮的旗舰。
外围警戒没有异动，刘玉章等人稍稍安心，适逢落潮，船只无法出海，只能等待凌晨涨潮才能出发。
总算安全登船了，军长刘玉章终于松了一口气，上船不久便安然入睡了。
参谋长廖传枢却怎么也睡不着，警觉地听着岸边的动静。
忽然船外闪现火光，隐约听到有人高喊：“着火啦！着火啦！”
廖传枢腾地跳起来，到甲板上一看，是远处一艘船起火了。这时刘玉章也被惊醒，站在甲板上默默看着远处船上的火光。
有人来报告，说是第2师所乘船只起火，刘玉章听后毫无反应，依旧静静地望着远处船上的火光。
“现在没有办法再找船，变更搭载计划也不可能了。”廖传枢叹了口气说。
刘玉章却未置一词，呆立了一会儿便返回舱内休息了。
后来才知道，起火的那只船是三北公司的渤海轮，此前刚运送汽油到葫芦岛，地板上多处被汽油漏湿。本来登船前已告诫官兵地板上有汽油，严谨吸烟，严防明火，尤其不可点燃蜡烛。登船时，各部派军官在进口处检查，非本部人员不得入内。
虽然三令五申严禁火烛，但因船上没有开灯，仍然有士兵点燃蜡烛照明。由于登船人数超载，且集中于船部中央，船员要求大家向四周疏散，却没有人相应，最终造成船底着地，失去平衡，蜡烛随着船只摇摆而坠地，腾地引燃地上的汽油，火势一发不可收……
据说刚着火时，汽车司机张昆试图救火，但火势蔓延迅速，没有成功。
船上装载有炮兵营、通信营、第2师师部以及第5、6团。炮兵营在下舱，全部葬身火海，无一幸免；步兵团登船时开始着火，迅速下船，没有太大伤亡；但由于船上人多拥挤，着火后秩序失控，士兵各自逃命，大批跳入水中或被拥挤失足落水，溺水而死。
逃回岸上的第2师残部，一时找不到船只急得四处乱撞，师长尹先甲情急之中混进其他部队的船，悄悄逃走，到葫芦岛后未敢露面，从此溜之大吉。第5团团长郭永和与第6团团长侯程达，则四处寻觅民船，最终将剩余的五六百人装上几艘帆船，于5日成功撤回葫芦岛，郭永和因此升任第2师师长，侯程达继廖传枢升任军部参谋长。
11月2日清晨5时，满载国民党第52军官兵的船只悄悄起锚开船。7时，国民党军的船只纷纷到达海口。就在这时，岸上传来激烈枪声，解放军对营口发起了总攻。
国民党军没来得及撤离营口的部队约5000多人，此时无心恋战，一触即溃。
解放军9纵第25师自东南方向进攻营口，仅30分钟，便攻占了海关码头。该师主力则攻占火车站，将营口国民党军拦腰截断，东部国民党军被解放军分割包围，迅速歼灭。25师75团2连打入国民党军聚集中心地带，仅用数十分钟时间，便全歼国民党军5个连。
自西南方向进攻营口的9纵27师则控制了海岸阵地及海口。
9纵26师、独立第2师以及7纵、8纵各一部也攻入市区，扫清国民党军残部。
8时以后，刘玉章等人乘坐的旗舰驶近停泊在营口外海的“重庆号”。9时左右，刘玉章等人登上“重庆号”，海军司令桂永清一直等候在船上。
随后，运送第52军官兵的船只先后驶出营口海面，向葫芦岛方向前进。
“重庆号”抵达葫芦岛后，刘玉章一出船舱，便看到了前来迎接的杜聿明。他走上前去，紧紧握住杜聿明的手，抑制不住心中的悲痛，一张嘴竟带了些哭腔：
“第2师太惨了！52军损失惨重啊！”
杜聿明也不胜唏嘘，连连安慰道：
“不要太难过，我会重新拨给你建制的。”
此时，葫芦岛集中了东北历次战役中不曾被俘的“败军之将”，大家时常在一起检讨东北失败的原因，尤其卫立煌、杜聿明、赵家骧等人，一致认为蒋介石已经老糊涂，只要他去指挥，就会一意孤行，不肯听取他人意见。卫立煌评价蒋介石用人时说：
“蒋介石用人是人人直接通天，弄得谁也不能统一指挥。”
随后又忧愤地说：
“我在东北未下过一道命令，看谁负责。”
杜聿明知道卫立煌害怕蒋介石追究他的责任，安慰他说：
“东北失败与总座无关，是他（蒋介石）自己命我下命令给廖耀湘的，如果要追究失败责任，只能追到我头上。”
然而，11月1日，蒋介石给杜聿明发电，称：“周福成来电，说卫立煌于30日逃走……”杜聿明看着电报，深深为卫立煌的前景担忧。
果然在离开葫芦岛后的11月10日，蒋介石下令：
“东北‘剿总’总司令卫立煌迟疑不决，坐失军机，致失重镇，着即撤职查办。”
于是，卫立煌成为蒋介石在东北战场战败的替罪羊，被软禁于南京寓所等待审判，后经上海逃往香港。
在葫芦岛最后的日子里，杜聿明召集葫芦岛各将领，商讨、布置撤退事宜，然后有条不紊地指挥海运撤退，将来自华北的第62军、92军和独立第95师运送到秦皇岛，归还华北建制；将余下的第39、52、54军分别运送到上海、南京。
11月9日，锦、葫地区最后一批国民党军政人员乘船撤离。
11月10日，东北人民解放军进占锦、葫地区，并歼灭国民党地方杂牌军一部。
11月12日，东北全境和热河获得解放。
辽沈战役是解放战争中战略决战的第一个大战役，在此次战役中，国共双方投入兵力达160余万人，最终解放军以6.9万人伤亡的代价，歼灭国民党军47.2万人，包括1个“剿匪”总部、1个指挥所、4个兵团部、11个军部、36个整师、9个非正规师；其中毙伤约6万人，俘虏约32万人，起义、投诚约9万人；起义、投诚和俘虏的中将为23人、少将为186人；缴获各类大炮6546门、轻重机枪1.6万挺、长短枪20多万支、飞机9架、坦克160辆、装甲车180辆、汽车2261辆、战马2万多匹、电台353部、炮弹20多万发、枪弹2000多万发。
在历时52天后，辽沈战役以东北野战军的全面胜利而宣告结束。