9月10日，东北野战军拟订了辽沈战役的具体实施计划。第一步，以奔袭动作歼灭北宁线除山海关、锦州、锦西以外各点之敌，切断关内外敌人的联系。第二步，集中兵力攻取锦州和打增援之敌。其部署是（：1）以韩先楚、罗舜初第三，吴克华、莫文骅第四，邓华、吴富善第七，段苏权、邱会作第八，詹才芳、李中权第九，贺晋年、陈仁麒第十一等6个纵队及炮兵纵队主力，第二纵队第五师，冀察热辽军区3个独立师歼灭义县至昌黎一线之敌，尔后相机夺取锦州、锦西、山海关。（2）以李天佑、梁必业第一，刘震、吴法宪第二（欠第五师），万毅、刘兴元第五，黄永胜、赖传珠第六，梁兴初、周赤萍第十等5个纵队，位于沈阳西北及长春、沈阳之间，阻止沈阳之敌向锦州或向长春增援，并随时准备参加攻锦作战和歼击长春突围之敌。（3）以钟伟、袁升平第十二纵队和第六独立师、炮兵纵队1个团及内蒙古军区骑兵第二师等部，继续围困长春。
北宁路是国民党军连结关内外最重要的陆上通道，锦州又是这条交通要道上的咽喉，战略地位异常重要。
9月12日，东北野战军各部根据作战部署，以奔袭动作向北宁线锦州外围诸点展开攻势。第二兵团司令员程子华指挥第十一纵队和冀察热辽军区3个独立师及炮兵旅出击昌黎至兴城一线之敌，拉开了辽沈战役的帷幕。
当日，冀察热辽军区独立第四、第六师和炮兵旅包围了兴城、绥中等地之国民党守军。驻锦西国民党第五十四军闻讯急速调兵增援；东北野战军给予打击后，主动撤兴城之围，集中攻击绥中守敌。
13日，第十一纵连克石门、安山、后封台等车站。
14日晚又占领昌黎县城。接着继续向东进攻，分别攻取留守营、烟筒山、北戴河、起云寺等地。第四、九纵队于9月11日分别自台安、北镇出发，于16日包围义县，迅速切断义县与锦州两地国民党军之联系。第三纵队和第二纵队第五师以及炮兵纵队一部，14日由西安（今辽源）、四平等地乘火车南下阜新，并于20日前后到达义县附近，接替第四、第九纵队对义县包围的任务。第九纵继续向锦州方向挺进。第四纵绕过锦州南下兴城。第八纵由八面城出发，经彰武、北镇插至锦州以北。
25日，在第九纵配合下攻占葛王碑、帽儿山等要地，自四平地区南下的第七纵队，于27日在第九纵队一部配合下，攻占高桥和西海口。28日，第九纵队和炮兵纵队以猛烈的炮火突然袭击锦州飞机场，当即击毁飞机5架，控制了机场，切断了国民党向锦州运送援兵的空运通道。同时，冀察热辽军区3个独立师攻占绥中。第四纵队继28日进占塔山后，又于29日攻占兴城。
9月29日，为扫除锦州以北坚固屏障义县国民党守军，东北野战军第三纵队、第二纵队第五师、炮兵纵队主力于30日全部扫清义县外围据点。
义县城是通往锦州、承德、沈阳铁路交汇的枢纽，近6平方公里的县城筑有高10米、宽3.5米的古城墙，墙外有4米宽、22米深的护城河。自古以来这里就是进出关内外的咽喉要道，又是锦州北面的屏障，是兵家必争之地，易守难攻。
刘永志当时是东北人民解放军三纵作战参谋。据他回忆，义县守敌国民党九十三军暂编第二十师，是经美国顾问团训练的半美械装备部队，总兵力7000余人，其中四分之三是老兵，在过去的战斗中从未受过重创。少将师长王世高、少将副师长韩润珍对自己的部队颇为自负。另外城内还有5000余名地方团队和地主武装。守敌不但兵强马壮、武器精良、弹药充足，而且在城关外围筑起大量单人掩体的轻机枪阵地，利用外围的独立村庄和坟地建起地堡群和雷区，将城关建筑物改成暗堡并设置了大量的铁丝网、梅花桩、绊脚索等，还在城墙外挖出深宽各3米的护城壕，以古城墙为依托凿出大量的明暗火力点，形成了一个广大纵深的立体防御体系。
东北人民解放军在以优势兵力完成了对义县的包围后，为查明敌人的防御情况先后派出少量部队侦察守敌的兵力、武器及部署情况。同时我军各部通过喊话、散发传单，通过各种渠道发送宣传材料等方式向守敌发动了强大的政治攻势。守敌二团二营六连三排排长罗有艰是位有正义感的青年，他对国民党军队在县城内胡作非为、欺压百姓等行为极为不满，在认真阅读了我军的宣传材料后，他在前沿阵地秘密地与我军取得了联系，就在攻城的前几天他率步兵排和重机枪排投诚。
我军接管了他的阵地，这给解放县城打开缺口提供了方便条件。根据掌握的情况，我军将领对战势作了全面的分析，大家一致认为：城西北有大凌河天然屏障，东北地形窄小不便展开兵力。城南地势开阔并有护城河所阻，唯西南地势较高，便于观察。虽西南为守敌火力最强的防御区，但我军可依靠铁路路基为阵地，发挥各种火炮的强大威力，以迅雷不及掩耳之势重创守敌。
于是，9月26日我军将领们决定在围困、袭扰守敌的同时，加强战前训练和准备，10月1日集中火力从城西南方向突破敌人防御。
各部队在具体分工开展实战演练的同时纷纷开始挖堑壕，二纵五师从城西宋家屯以东一直挖到城防下，全长7300多米。三纵八师、九师从敌军最南端的地堡群一直挖到城墙下，为部队作战时的转送、联系、突破工作提供了可靠保障。
在战前准备中，人民群众也积极行动起来，在解放军驻地群众蒸干粮、送军鞋的情景随处可见。
曾参加这场战役的义县留龙沟乡老退伍军人马占才回忆说：“那时义县西部的4个山区5天就有许多农家子弟报名参军，组建起一个新的兵团随时可补充到部队。留龙沟一夜间捐军粮120万斤，组织了随军转运担架3000多副，城南关的李景新等贫困百姓积极主动为攻城部队当向导、画地图……”军民鱼水一家亲的深情在硝烟弥漫的土地上洋溢。军民众志成城，只有一个目标：解放义县城，活捉王世高！
守敌被包围后，敌师长王世高犹如热锅之蚁，惶惶不可终日，他多次向锦州的上司请求增援。9月24日，锦州守敌首领、国民党东北“剿总”副司令范汉杰调动九十三军4000多兵力北援义县，不料行至七里河附近被我军八纵、九纵包围并歼灭，幸存的残部逃回了锦州。
锦州守敌无奈只好每日派飞机到义县上空轰炸，为义县守敌助威。
但我军依据指挥部的命令，各部都派出大批小股部队利用堑壕作掩护，不分昼夜地向敌军据点、碉堡打冷枪，吓得敌人夜里既不敢点灯又不敢睡觉，一有风吹草动就胡乱打枪放炮。在我军攻城战斗打响前守敌已精疲力竭，弹药也消耗得所剩无几。
时任排长、后曾任沈阳军区某部师长的杨海田回忆说：“28日10时许，范汉杰派出8架飞机为义县守敌空投弹药，遭到我军高炮群的猛烈轰击，飞机不敢低飞，只在高空盲目投掷弹药，大部分落到我军阵地上，落到城内的寥寥无几。
“运输大队长”的“慷慨”，守敌的弹尽援绝更加鼓舞起我军的士气，敌人的外围阵地一寸寸被我军收复，义县城犹如一座孤岛。
按照总攻方案，我军必须在29、30两日将外围守敌据点全部扫清。
29日晨，城南主阵地被我军撕开了一个缺口，守敌一个营长阵亡，敌人更加慌乱，上上下下乱成一团……
与此同时，我军攻克外围据点的战斗正在激烈地进行。武家小庙是敌西面城防一个重要据点，这里驻有守敌一个加强营，配有重机枪和六○炮等重火力，并在据点50米方圆内构筑了5个大地堡、21个小地堡、4个掩蔽部，由纵横交错的交通壕相连接，还有暗道通向城内。
攻克并坚守这个最坚固堡垒的任务落到了我军二纵队十四团十连官兵的肩上，在这支曾荣获“无坚不摧”称号的英雄连队内，指战员们个个摩拳擦掌，整装待发。曾参加过这场战斗的锦州老退伍军人王强回忆说：“9月30日下午，十连爆破组在我军炮火的掩护下连续炸毁了守敌8座地堡，控制了城西南角的一大段围墙。但东南角大地堡的守敌向我军猛烈反击。呼啸的炮火打得我军无法抬头，副连长立即命令二班战士、爆破能手张作培：‘炸掉它！’张作培带着两根爆破筒，几个就地滚，迂回到大地堡火力口的右侧，拉响了爆破筒……炸飞地堡的硝烟尚未散尽，敌人突然开始炮击我十连，官兵伤亡过半，连排干部全部牺牲。在失去连排干部指挥的情况下，班长王凤江挺身而出，指挥战士们用手榴弹、冲锋枪打退了敌人的6次反扑。当敌人第7次反扑过来时，王凤江和战友们已枪空弹尽。正在危急时刻，炊事员老高背着一箱六○炮弹爬上阵地，王凤江一见立即打开炮弹箱，抓起炮弹拧掉保险帽，把炮弹投向敌群，战友们也纷纷效仿，敌人丢下一片尸体，仓皇逃回县城。”在这场战斗中我军十连近百名官兵所剩无几。战后王凤江等8人被各记大功一次，十连被纵队命名为“钢铁连”。
正在这时，我军攻打南关、东关、火车站等外围据点的战斗也进行得相当激烈。
在攻打火车站的战斗中，敌师长王世高曾亲自督战，但负隅顽抗的守敌未能逃脱失败的命运。我军仅用2个多小时，就全歼车站守敌400余人，并击毙守敌一个团参谋长。
30日，扫除外围守敌的激战历时4个多小时后胜利结束，我各路大军兵临城下，守敌已成瓮中之鳖。
30日晚11时许，敌师长王世高召集所有团职以上军官开会，最后决定在10月1日天黑后率残部向朝阳方向突围，然后转向绥中、兴城一线，再向锦州靠拢……
1948年10月1日上午，义县城南土丘上的东北人民解放军攻城总指挥所内，炮兵司令员朱瑞、三纵队司令员韩先楚和纵队政委罗舜初等首长都静静地等待着总攻时刻的到来。
时任三纵作战参谋的刘永志回忆说，9时整，韩先楚举起望远镜向敌方阵地观察了一阵，掏出怀表看看，扭头对朱瑞说：“时间到了。”
朱瑞一声令下，顿时，各种口径的大炮一齐发出怒吼，10万发炮弹带着复仇的怒火在敌人的阵地、工事、炮楼及城墙上爆炸。顷刻之间，城西南的城墙被“撕”开一道40多米宽的缺口。
朱瑞将军在望远镜中见此情景异常兴奋，命令炮火延伸射击。这时，埋伏在城外西、南、东关的各部队如猛虎下山一般向城内发起猛攻。敌人凭借城隅、街巷和飞机的掩护，集中所有的火力顽抗，我九师八连、五师七连均与敌人进行了异常激烈的拉锯战，八连二班为了部队能顺利通过护城河，主动担负起架桥任务。当几次刚要将桥架成的时候都被敌人破坏。但战士们愈挫愈勇，毫不退缩，战士吴西路身上中弹13处，仍坚持战斗，并大声鼓励战友：“冲上去就是胜利！”直到壮烈牺牲；战士刘满昌腹部中弹，小肠外露，仍将手中最后一枚手榴弹抛向敌群；战士谢来堂在爬城时被敌人刺伤，他抓住带血的刺刀爬上城墙，把一面红旗插到城头上……在城东，我军一营将士直捣敌三团指挥所驻地的胡家大院，数次打退了敌人装甲车掩护下的反扑。
中午12时，我军攻至钟鼓楼附近，遭敌师指挥所200多名残敌的顽抗，五师十三团张峰团长命四连、六连从两侧迂回，两连将烟幕弹、手榴弹投入敌指挥所院内，炸开院墙，战士们同时冲入院内，全部歼灭守敌。
但在1000多名战俘中唯不见敌师长王世高，张团长命令搜索，终于，王世高连同副师长韩润珍被五连战士在一个隐蔽的防空洞中押了出来，一贯骄横傲慢的王世高此时蓬头垢面、尘土满身、满脸沮丧……
下午1时30分左右，经过激烈的巷战、肉搏战，我军攻克了城内最后一个据点——敌县政府，整个义县城攻坚战经5个多小时的激战，终于胜利地结束了。