在瀋陽，為了應對即將爆發的四平大戰，重病中的杜聿明也在做著準備。

廖耀湘新六軍出關時共轄三個師，六月停戰令後，青年軍207師脫離了新六軍建制；1947年6月1日，杜聿明決定將交警第13、14總隊共八千餘人合編為第169師，隸屬新六軍，使該軍恢復三師九團的編制：龍天武14師、李濤新22師、鄭庭笈169師。

同時，杜聿明將羅友倫青年軍207師由兩旅六團擴編為三旅九團，使其能獨立承擔瀋陽的守備任務：傅宗良第1旅、張越群第2旅、劉少峰第3旅。

除此之外，杜聿明還積極與北平行轅主任李宗仁聯繫，商請周福成第53軍出關增援。

杜聿明仍然採取了去年二戰四平完全相同的戰法：先南後北。

周福成53軍星夜兼程出關，於6月17日到達本溪，隨即對本溪展開猛攻；

6月19日晚，第53軍攻佔本溪；

6月20日，共軍攻克四平路西第71軍軍部，但陳明仁已轉移至路東87師防區；其弟陳明信被俘；

在解除瀋陽南側的威脅後，鄭洞國按照杜聿明的部署，指揮廖耀湘新六軍、周福成第53軍、盧浚泉第93軍共八個師，兵分三路北上四平；同時令潘裕昆新一軍以李鴻新38師留守長春，潘裕昆率其餘兩個師南下。

作為增援主力的南路，由盧浚泉93軍沿中長路北上，擔任中央突破；53軍居左，新六軍居右；以52軍195師為總預備隊。

杜聿明、鄭洞國安排廖耀湘居右，負責掩護93軍北上，倒並非輕視新六軍的戰鬥力；恰恰相反，杜、鄭擔心林彪在路東埋伏重兵，切斷93軍後路，因此讓新六軍沿路東掃蕩前進；一年前二戰四平，廖耀湘也是沿路東攻擊四平，取得大捷。

53軍承擔自左路迂回包抄四平以西的部署，鄭洞國將消息封鎖的極為嚴密，令林彪誤以為周福成53軍將留駐本溪。

6月23日，盧浚泉93軍攻佔開原，向昌圖挺進；

同日，林彪解除了李天佑四平攻城總指揮職務，由洪學智接任，並將六縱全部兵力投入四平攻堅戰；由於李天佑一縱、鄧華西滿縱（七縱）已喪失戰鬥力，林彪命其各留一個師配合六縱繼續攻城，其餘殘部退出戰鬥；當晚，西滿縱獨立一師師長馬仁興在撤退途中，被國軍擊斃。

然而，雖然共軍增加了生力軍，又已佔領四平路西全部地區，殲滅守軍總兵力半數以上；但守衛路東的，恰恰是戰前林彪、李天佑認為的“其中僅有四個團有一定戰鬥力”的那四個團：宋邦緯第54師160團、161團，熊新民第87師259團、261團；這意味著路東的戰鬥將比路西更加殘酷。

對於四平南線的攻防，林彪是以蕭勁光統一指揮曾克林三縱、吳克華四縱圍殲廖耀湘新六軍，以劉震二縱、洪學智六縱在中長路正面阻擊93軍，並以一部協助三縱、四縱圍殲新六軍。

由於洪學智六縱於23日北上投入四平攻堅戰，劉震縱隊已經無法兵分兩路，既要在昌圖堅決阻擊盧浚泉93軍，又要割裂新六軍與93軍之聯繫，來貫徹林彪圍殲新六軍之作戰意圖。

6月25日傍晚，吳克華四縱在鄭庭笈169師的猛攻下，終於崩潰，八棵樹主陣地失守；

6月26日傍晚，劉震二縱在盧浚泉93軍的猛攻下，無力再戰，昌圖失守；

當日深夜，林彪令六縱16師由四平南下加強蕭勁光集團，企圖在威遠堡地區圍殲新六軍；

6月27日，周福成53軍突然出現在八面城，劉震二縱後方動搖；林彪令鄧華西滿縱放棄休整立即南下增援二縱，令劉震無論如何必須在泉頭堅守一周；

6月28日下午，周福成53軍一舉攻克八面城；消息傳來，劉震二縱及南下的鄧華縱隊士氣大受影響；盧浚泉93軍則士氣大振，不惜以肉搏戰、白刃戰拼死衝擊，終於擊潰劉震二縱，攻佔泉頭車站；

6月29日，93軍勢如破竹，進佔毛家店，距離四平已僅有10公里；

與此同時，自長春南下的新一軍，連續突破共軍阻擊，攻佔陶家屯、公主嶺，並分兵進攻懷德；

6月30日午後，周福成53軍率先突破二縱的最後防線；正面的盧浚泉93軍趁勢全線衝鋒。

林彪眼見已經無望消滅四平的陳明仁，更無望消滅東南的新六軍，此時國共雙方主力決一死戰，後果很可能全軍覆沒；此時四平城內洪學智所部四個師，逐屋逐街巷戰，付出慘重傷亡，始終無法將路東的陳明仁所部四個團予以致命打擊。林彪遂下令撤圍四平，全軍北撤。

對於三戰四平的失敗，林彪自己及其他東北共軍將領回憶，認為除了前述：

1、對四平守軍兵力的錯誤判斷；

2、對四平城市攻堅戰難度的無知；

3、對陳明仁以下四平守軍抵抗意志的誤判；

這三條以外，林彪表示第53軍系東北軍、第93軍系滇軍，都屬於雜牌軍，但沒想到在第三次四平會戰中，卻表現出絲毫不遜色於新一軍、新六軍之戰鬥力，甚至猶有過之；而周福成53軍自華北出關攻克本溪後，竟然又出現在四平以西地區，導致林彪戰略部署的全盤被動。

陳明仁因為死守四平而獲得青天白日勳章，已經盡人皆知，但很少人知道，三戰四平，還誕生了一位官階最低獲得青天白日勳章的人：87師261團少尉排長廖鈞。

廖鈞以一個排死守富盛泉燒鍋據點，至7月1日拂曉共軍撤退後，該排僅剩4人（包括廖鈞），而負責進攻燒鍋據點的共軍6縱18師54團則幾乎全打光了。

廖鈞死守燒鍋，撒豆成兵，當時傳頌一時；即連林彪也極想生俘廖鈞，一問究竟。只可惜，廖鈞在遼沈戰役前調離東北，後來去了台灣，林彪始終未能如願。

對於三戰四平，當時在瀋陽做掛名副司令長官閒職的孫立人，提出了與杜聿明、鄭洞國完全不同的見解：如果我是蔣主席、是杜聿明，絕不會讓新一軍南下援救四平，一定讓新一軍、60軍北上進攻哈爾濱，林彪如果敢不回救，我就佔領他整個北滿老巢；林彪如果回師，瀋陽國軍立即銜尾窮追猛打，看看誰能贏得最後的勝利。（引自孫立人1947年6日25日與中央社駐瀋陽記者陳嘉驥談話記錄。不知道到7月1日林彪敗退後，如果再次訪問孫立人，孫立人會否堅持他的戰略呢？）

第三次四平會戰，林彪30余萬大軍被14萬國軍擊敗，傷亡5萬餘人。這說明此時共軍雖具有兵力、火力之優勢，但陣地戰、攻堅戰能力仍有很大不足，尤其在缺乏有力內線情報，對國軍部署無法瞭若指掌的情況下，往往會陷於困境。