12月6日，瀋陽外圍。
東北兵團主力完成了對瀋陽的四面包圍。
在北線，華北兵團第1集團軍從阜新、新民方向壓過來，切斷了瀋陽與長春之間的鐵路聯繫。
在南線，東北兵團沿遼西走廊突進，第1集團軍裝甲旅為先導，接連攻克遼陽、鞍山，從南面逼近瀋陽。
在東線，東北兵團第3集團軍占領撫順後向瀋陽迂迴。
在西線，西北兵團的騎兵和裝甲部隊從通遼方向逼近。
瀋陽，關東軍在南滿的指揮中樞，被三十餘萬大軍圍得水泄不通。
守城的是關東軍第1獨立守備隊等部，約一萬五千人，另有偽滿軍約兩萬人。但經歷了山海關失守、錦州失守、獨立戰車旅團覆滅等一系列打擊後，守軍士氣低迷。
12月6日清晨，總攻開始。
兩個獨立重炮旅——近兩百門155和152重炮——對瀋陽外圍工事展開了長達四個小時的炮火準備。
不同於以往對城牆和碉堡的轟擊，這次的重點是日軍的鋼筋混凝土核心碉堡群。這些碉堡是關東軍經營多年的防禦工事，號稱能承受重炮直接命中。
但當155毫米M1榴彈炮使用混凝土破壞彈時，這些號稱堅不可摧的碉堡開始一個個被摧毀。混凝土破壞彈裝有延遲引信，能在穿透混凝土後再爆炸，一炮就能將整座碉堡從內部炸開。
到中午，瀋陽外圍的主要碉堡群全部被摧毀。
裝甲旅從西北和西南兩個方向發起突擊。三號坦克和T-26坦克引導步兵，撕開日軍外圍防線，將守軍分割成數個無法互相支援的孤立據點。
巷戰持續了六天。
日軍逐街逐屋進行抵抗，但中國軍隊的火力優勢在巷戰中同樣碾壓。步兵用巴祖卡火箭筒對付堅固火力點，用手榴彈和衝鋒鎗清掃房屋。坦克抵近射擊，將日軍據守的建築物一座座轟塌。
12月11日，瀋陽完全落入中國軍隊之手。守城的一萬五千名日軍中，一萬二千人被擊斃，三千人被俘。偽滿軍兩萬人幾乎全部投降。
同日，關東軍司令官梅津美治郎在長春下令，關東軍司令部遷至哈爾濱。
......
翌日，中國軍隊發起了對長春的總攻。
此時關東軍機動師團已經損失殆盡，長春守軍只有各師團殘部和一些後勤、守備單位，總兵力不足三萬人。
七天後，三個兵團完成對長春的合圍。西北兵團在西，華北兵團在北，東北兵團在東與南。三十餘萬大軍將長春圍得水泄不通。
次日拂曉，集中全部重炮火力對關東軍司令部、核心工事實施毀滅性炮擊。四個獨立重炮旅加各集團軍直屬炮兵，共超過五百門重炮和火箭炮，對著長春傾瀉了三天的彈藥。
之後，裝甲旅多方向突入市區。
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第五天，關東軍司令部被摧毀。留守司令部的參謀長及以下數百人全部死亡。
第八天，長春完全解放。守城日軍三萬人全軍覆沒。
與此同時，被釘在公主嶺以北的第1師團，在得知長春已失、關東軍司令部被摧毀後，師團長橫山勇下令分散突圍。結果遭到華北兵團和趕來的東北兵團一部夾擊。橫山勇亡於亂軍之中。
......
12月28日，密雲總前指。
作戰地圖上面剛剛標註了第三階段戰役的最新進展。
「長春解放，關東軍司令部被摧毀，南滿和西滿的日軍主力已基本被殲滅。」左參謀長匯報，「現在東三省境內，只剩下北滿和東滿邊境還有一些日軍殘部，總兵力加起來不超過十萬，而且分散在漫長的邊境線上。」
「第三階段作戰——全境肅清。命令，西路集群以西北兵團為主，約十萬人，進攻軸線為白城子、通遼→齊齊哈爾→海拉爾→滿洲里。限期1941年1月3日攻占齊齊哈爾，1月13日攻克海拉爾要塞，1月23日收復滿洲里。」
「中路集群以華北兵團為主，約十二萬人，進攻軸線為長春、四平→哈爾濱→佳木斯→黑龍江沿岸。限期1月3日攻占哈爾濱，1月13日攻克佳木斯、鶴崗，1月23日肅清黑龍江沿岸所有據點。」
「東路集群以東北兵團為主，約十二萬人，進攻軸線為瀋陽、梅河口→牡丹江→延吉→東寧、綏芬河。限期1月3日攻占牡丹江、延吉，1月18日攻克東寧、綏芬河要塞，1月28日肅清圖們江沿岸及長白山區殘敵。」
總司令（彭）看著在座的將領們。
「同志們，我們已經打了一個多月。消滅了關東軍三十多萬，解放了熱河、察哈爾、遼寧、吉林大部。」他的聲音有些沙啞，但依然有力，「現在是最後一戰。把殘餘的日寇，從我們的土地上徹底清除出去。」
「堅決完成任務！」所有人齊聲回答。
......
新年伊始，東北大地的嚴寒中，最後的大規模戰鬥在邊境地區展開。
先是，齊齊哈爾、哈爾濱、牡丹江同時解放。
緊接著，海拉爾要塞被攻克，佳木斯、鶴崗解放。
之後，東寧要塞、綏芬河要塞被攻克。關東軍經營多年的邊境築壘地域，在重炮和航空兵的打擊下土崩瓦解。
最後，滿洲里收復。西滿全境肅清。
東三省全境光復。
此戰歷時六十四天，殲敵逾四十萬。
自此，長江以北，再無日軍立足之地。