国民党军攻下本溪，更使杜聿明自信其作战方案正确，认为对手经此次打击之后，战力难以在短期内恢复，南满可保无虞，遂大胆转用兵力于四平方面。5月10日，他下令仍以新1军为中路，另以新6军为右路，第71军为左路，取大弧形合围之势，三面同时齐向四平发起攻击，并以在右路的新6军为奇兵，重点攻击四平侧翼，威胁中共后方补给线，企图包围并歼灭中共在四平的主力部队。部署在四平正面的中共部队进行了顽强阻击，战况空前激烈，国民党军进展甚为缓慢。但由于国民党在此次攻击中投入重兵，不仅在重装备上，而且在人数上也占据了明显优势，尤其是廖耀湘指挥的右路新6军，利用中共部队刚自本溪退出，调整与部署未周之机，发挥机械化优势，以宽正面跃进方式迅速进至四平外围，对四平形成合围之势。此时，中共在四平的部队已经多日战斗，伤亡减员甚大，战线过长，兵力分配捉襟见肘，已处于被动状态，再守下去有被优势国民党军围歼的危险。林彪审时度势，毅然决定不再坚守，于18日夜下令部队全线撤出四平。