10月25日晨，廖耀湘部先头部队第49军在大虎山以东越过北宁路南撤，继在台安西北与东北野战军第8纵队和独立第2师遭遇，激战竟日，未得突破。第49军军长郑庭笈判断退营口的通路已被截断，他未向廖耀湘请示，而是径向沈阳卫立煌请示，卫令其退回沈阳，但由于部下意见不一，郑并未立即行动。至26日，廖耀湘才得知此情，此时他方寸已乱，不敢断然集中部队向营口方向突破，而是向卫立煌请示行动进止，卫当即令其退回沈阳。廖遂令新1军军长潘裕昆率新1军主力、第71军和新6军1个师，沿大虎山至新民铁路渡辽河后退回沈阳；廖自率兵团部、第49军、新6军和新3军各1个师，经大虎山至老达房公路退回沈阳；另以新1军和新6军各1个师接应位置不明的新3军主力。
根据廖兵团既无工事依托，又乏坚强指挥、转移态势混乱、部队士气不高之情况，林彪果断命令东北野战军各部，对廖兵团拦住先头、拖住后尾、夹攻中间、截断退路、分割穿插，以猛冲猛追战法，迅速求歼廖兵团。25日夜至次日晨，东北野战军各部发扬积极主动的进攻精神，根据当面情况迅速转移位置，其中5个纵队自大虎山从西向东，3个纵队自大虎山从南向北，2个纵队自饶阳河由东向西，对廖耀湘部达成了分割包围。廖兵团适在转移途中，命令下达仓促，方向一变再变，战斗队形混乱，上下联络不畅，指挥官已难以掌握部队。26日晨，东北野战军第3纵队第7师在胡家窝棚击中廖兵团指挥所，廖耀湘仓促转移至新1军新30师师部，新1军、新3军、新6军指挥所其后亦被冲散，国民党军指挥体系被打乱，各部在行进状态中，得不到指挥命令，无所适从，在东北野战军的猛烈分割打击下，已成溃散之势。至28日拂晓战斗结束时，廖兵团5个军12个师10万余人被全歼，兵团司令廖耀湘、新6军军长李涛、第71军军长向凤武、第49军军长郑庭笈等被俘，新1军军长潘裕昆及新3军军长龙天武脱逃。廖耀湘兵团10多万精锐兵力，起初在彰武徘徊不前，其后作战方向不定，最后指挥错乱，竟至没有师级以上的抵抗而一败涂地，“偌大一个战斗力很强的战略机动兵团，国民党军的精华，长时间徘徊于无用武之地，失去了战机，失去了时间，再加以心情慌乱，以至最后陷入重围，失去了主动而全军覆没。”