10月20日晚上，衛立煌和杜聿明下達了讓廖耀湘向黑山攻擊的命令，其目的是通過黑山地區的通道向錦州前進。萬一錦州去不了，則可向營口前進。 21日，廖耀湘命令以七十一軍為主力的部隊向黑山發起進攻。七十一軍是由蔣介石的警衛部隊改編的，屬於蔣軍嫡系，但是並不是廖耀湘的基本部隊，所以廖耀湘讓其打頭陣。七十一軍當時的駐地芳山鎮距黑山只有30公里。 23日，遼沈戰役中的又一場惡戰，也就是與塔山阻擊戰齊名的黑山阻擊戰打響。
黑山和其緊鄰的大虎山（或稱打虎山，在黑山稍南一點）地區位於新立屯的正南方，是南下營口、西去錦州、東去瀋陽的通道，是錦州和瀋陽之間的唯一走廊。北邊是高達千餘米的山脈，南邊是連綿90餘公里的沼澤水網地帶，就只有中間一條寬25公里的狹窄丘陵地帶，成為一條走廊。北寧、大鄭兩條鐵路在此穿行而過，公路也在此交會，黑山和大虎山就是這條走廊的閘門，成為進出遼西的一處兵家必爭之地。我東北野戰軍的十縱正在這裡準備阻擊廖耀湘兵團向營口（錦州）的進攻。
當錦州戰役結束之後，東北野戰軍的參戰部隊的確是在休整。按照中央的部署，是準備休整之後先打錦西和葫蘆島，先消滅蔣介石用來援助錦州的侯鏡如五個師的東進兵團，下一步再來解決蔣介石用來援助錦州的廖耀湘達五個軍的西進兵團。可是，長春的六十軍起義之後，形勢發生了變化，長春肯定立即就會被我軍攻克，長春不守，瀋陽也就難守，中央判斷蔣介石很有可能放棄東北，從東北將其主力撤走，而當時東北最大的蔣軍集團就是廖耀湘的西進兵團。 10月18日，毛澤東給林彪、羅榮桓電報：
我們所最擔心的是沈敵從營口撤退，向華中增援。
提議在日內長春解決後，除留幾個獨立師監視鄭洞國及新七軍外，圍攻長春的各縱隊及幾個獨立師應迅速全部南下，位於瀋陽和營口之間。時間應在11月上旬，過遲則無保障。並須以一個縱隊控制營口，構築堅固陣地，阻絕海上與陸上的聯繫，使蔣、衛不敢走營口。即使他們走營口，我可先行抗擊，以待主力到達聚殲。
上述電報很清楚，毛澤東原來打算是在11月上旬切斷蔣軍的退路。
可是，由於長春戰局的進展迅速，我東北局在哈爾濱的幾位領導人高崗、陳雲、伍修權等對東北的情況有著更直接的感受，他們在10月17日召開的會議上研究了東北的局勢之後認為，東北形勢正在急速變化，我軍必須以最快的速度跟上這種變化，將工作部署推向最後消滅敵人的新階段。東北局領導也看到了蔣軍很可能要從營口撤退，所以當10月18日長春的國民黨新七軍放下武器之後，他們一方面電告在前線的林彪、羅榮桓和劉亞樓，一方面向中央報告，同時就安排原來擔任圍長春任務的十二縱和三個獨立師在四平上火車，先至清源（當時火車不能通過瀋陽，所以只能從瀋陽以東繞道），下車後以急行軍直插鞍山、海城，以截斷敵人向營口的退路。林彪和羅榮桓完全同意哈爾濱方面的判斷和做法，也認為必須立即行動，阻擊和包圍廖耀湘兵團，否則就可能讓敵人跑掉。 10月19日，他們向中央連發三封電報，報告戰局形勢和他們認為應當放棄原定的打錦西的計劃，而改為回過頭來打廖耀湘。他們在第三封電報中說：
若瀋陽之敵仍繼續向錦州前進時，則等敵再前進一步後我軍再向敵進攻；但有若干徵候敵不再前進，或有向瀋陽撤退轉向營口撤退的徵象時，則我軍立即迅速包圍彰武、新立屯兩處敵人，以各個擊破方法，將新一、新三、新六、七十一、四十九軍全部殲滅，使之不能退回新民、瀋陽和退至營口。目前該敵有隨時縮回瀋陽的可能，故我軍須採取迅速行動方針。
盼軍委即回電指示。
10月19日這天晚上，毛澤東通宵未眠，先後給林彪、羅榮桓發出四份電報，表示“完全同意你們的建議”，也同意高崗、陳雲、伍修權等人的建議，並命令東野“以一、二、三、五、六、七、八、九、十共九個縱隊二十七個師全部，分割包圍廖兵團五個軍十二個師”，“以全殲廖兵團為目的”。
如此重大的會戰計劃，就這樣乾脆利落地決定了，從提出建議到中央決策，前後一共只用了三天。
10月20日凌晨4時，東野總部收到了中央的第四封電報之後，立即就進入了又一場大戰的緊張准備中。這一天，東野總部發出了號召全軍積極行動起來，在東北戰局發生重大變化的時刻，與敵決戰，全殲東北國民黨軍隊的政治動員令。也在這一天，總部也完成了圍殲廖耀湘兵團的具體部署。上午10時，林彪發出了一道道給各部隊的作戰命令：十縱並指揮一縱三師和內蒙騎兵師，立即進至黑山和大虎山一線布防，堅決阻斷敵人南進之路，粉碎敵人進攻錦州或南逃營口的企圖。六縱（缺十七師）和五縱進至黑山以北，切斷敵人退回瀋陽的退路。原來在錦州地區的一縱、二縱、三縱、七縱、八縱、九縱、六縱十七師以及炮縱全部盡可能秘密地揮師北上東進，到遼寧西部地區待命，以備全殲廖耀湘兵團。已由四平南下的十二縱和一兵團的11個獨立師不下遼西，而在瀋陽地區牽制瀋陽的敵人（此時的瀋陽還有周福成兵團）。已在南滿的獨立二師到營口布防，阻止敵人從營口逃跑。已在錦西地區的四縱和十一縱仍然在二兵團的指揮下阻擊葫蘆島的侯鏡如兵團北上，這其中，要派出幾個師天天向西南做戰役佯動，沿途有意大張聲勢，做出要進關的樣子，用以迷惑敵人。
上述部署也在20日10時同時上報中央。 21日清晨，中央復電說：
“完全同意你們20日10時圍殲廖兵團及其他各項部署，並無補充意見。”一場大殲滅戰就此定案，即將打響。這場大戰就其規模而言在我軍戰爭史上是史無前例的，我軍集中了29個師共45萬人，要一口吃掉敵人5個軍的12個師約10萬人。大戰的最重要戰場是黑山地區，我軍必須在那裡把廖耀湘兵團截住，阻其南逃，方能將其圍而殲之，否則廖兵團就會在我軍的包圍圈形成之前從海上逃走。
黑山阻擊戰的重擔，林彪選擇放在了由梁興初和周赤萍指揮的十縱身上。
十縱是在1947年9月11日才組建的新縱隊，但是其主力師二十八師就是十萬大軍進東北時從由劉轉連、晏福生帶到東北的著名的原八路軍一二零師的三五九旅，二十九師的老班底也是從關內來的原冀魯豫軍區和太行軍區的部隊，三十師則是原東北民主聯軍的東滿獨立一師，長期擔任剿匪任務。這幾支部隊的戰鬥力都不弱。只是組建為新的縱隊後，全縱隊還沒有在一起打過一個大仗。在錦州戰役之前，林彪就把十縱和五縱、六縱放在彰武、新立屯一帶，“陪伴”著廖耀湘兵團，準備迎擊其西侵。可是廖耀湘兵團一直未能攻出來，他們也就撈不著仗打。現在廖耀湘兵團終於出來了，而且氣勢洶洶地撲過來了，十縱將士憋在心中的一股勁終於可以使出來，和廖耀湘兵團，特別是和新一軍、新六軍這兩支國民黨軍隊的“五大主力”之中的主力較量較量了。
在整個解放戰爭的歷史上，我軍以一個縱隊同時對付兩支國民黨的王牌軍，這是第一次，也是最後一次。
10月21日中午，十縱接到東野總部的命令：
錦州、長春解放後，敵廖耀湘集團仍企圖西進與錦西之敵會合，重佔錦州或逃入關內。我十縱即應進至黑山、大虎山一線，選擇陣地，構築工事，頑強死守，阻住敵人，待主力到達後，聚殲該敵。
十縱黨委接到電令之後，心中很清楚，任務是相當艱鉅的，因為要用我軍的一個縱隊加一個師對抗敵人的強大兵團，這個兵團是包括蔣軍王牌新一軍和新六軍在內的6個軍加一個師，何況敵人是美機械化裝備的兵團，其裝備要比我軍強得多。另外，敵人雖然已經軍心動搖、士氣不振，可現在是在奪路而逃，狗急了也要跳牆，其瘋狂程度是不能小視的。所以，十縱黨委立即召開常委會，進行了仔細研究和部署，向全部隊提出了“死守黑山，抗擊敵人，與陣地共存亡”的口號。並決定在全線死守的同時，留足強大的預備隊，隨時出動反擊。黑山阻擊戰只准打好，不准打壞，必須做到人在陣地在。當天夜裡，全縱隊急行軍30公里，到達各自的指定位置，趕修工事。以西邊的大白台子到東邊的高家屯的正面防禦陣地為中心，在當地老鄉的大力支援下，修起了戰壕、機槍掩體、指揮所、觀察所、救護所。由於這一帶地勢較平，唯一的一個制高點一零一高地也是一座無法挖工事的石頭山，給陣地修築帶來了不少困難。但軍民同心，排除萬難，硬是在20多個小時時間裡，用木板、鋼軌加堆土，將工事搶修完成。
也就在10月21日，廖耀湘下達了向黑山發起進攻的命令。 22日，七十一軍的兩個師從側面展開迂迴，二零七師的三旅在兵團直屬重砲團的配合下攻擊正面，同時向我軍陣地開進。 23日清晨，敵軍在尖山子與我二十八師擔任警戒任務的前哨連八十二團七連交火。敵人雖然發動猛攻，但帶有試探性質，未敢冒進。我七連以全連的兵力阻擊敵人，在子彈打光後用石頭將敵人打退。雖然傷亡很大，但是為後面陣地的大部隊贏得了極為寶貴的一天時間進行各種準備。所以，從上述戰鬥日程來看，我軍的日程是相當緊迫的。正是在這個日程上，才可以知道蔣介石和他的部下們的那五天爭論對我軍有多麼重要的作用。
當黑山阻擊戰在23日打響之後，梁興初立即向東野總部報告。東野總部根據當時各方面的情況回電向十縱下達了更為具體的任務：
“堅守三天。”十縱的領導幹部心中很清楚，這三天是要用一分一秒來安排的。
24日，敵人以四個師的兵力在五個炮團和幾架飛機的支援下，向我陣地發起了全面進攻。撼天動地的黑山阻擊戰正式拉開。狡猾的敵人並未將主力放在正面，而是放在我防守力量相對較弱、工事相對較差的側面高家屯。廖耀湘用來進攻高家屯的部隊是不久前才從瀋陽調來的，在整個國民黨軍隊中最為反動的“黨化部隊”青年軍二零七師和國民黨的王牌軍新六軍的二十二師。梁興初用來堅守高家屯的部隊是十縱主力、在著名的八路軍三五九旅基礎上組建的二十八師。二十八師師長賀慶積率領該師官兵防守三個制高點：石頭山、九二高地、一零一高地。敵軍二零七師第三旅每次沖鋒都是用兩個營或三個營的兵力進行的，他們在重砲的支持下，於下午3時將石頭山、九二高地攻占，我軍只能用盡全力死守一零一高地。當工事被敵人的砲火全部摧毀之後，戰士們僅憑著陣地上的彈坑做一點掩護，一個一個彈坑的和敵人拼手榴彈、拼刺刀。
高地上兩個連的戰士拼得最後只剩下5個人，一顆子彈都沒有了，高地終於失守，高家屯在下午4時20分全部落入敵手。在這萬分緊急的時刻，賀慶積師長集中了12門山炮向一零一高地猛烈轟擊，然後命令基本上全團都已被打光的八十四團副團長蘭芹統一指揮八十二團的兩個營反撲高家屯。戰士們抱著拼死也要守住黑山的信念，不顧一切犧牲，趁著敵人立足未穩之時向前述三個制高點猛衝，硬是在半個鐘頭之內把高家屯的三個制高點一個一個全部奪了回來。
第一天的戰鬥，以敵人毫無進展而結束。因為在黑山西北的陣地上，我二十九師擋住了敵七十一軍九十一師的進攻；在大虎山陣地上，我三十師擋住了敵新六軍二十二師的進攻。由於敵九十一師打得太差，廖耀湘下令將該師師長戴海容就地正法。只是因戴在被執刑前的混亂中乘機逃脫，才未能在當天被槍決。
這天晚上，十縱幹部召開了當天的戰鬥總結會。大家一致認為，明天的戰鬥會更加激烈，敵人的進攻重點仍然在高家屯。由於敵軍的砲火很強，我軍的工事基本上已全部被摧毀，明天的戰鬥不能太依靠陣地工事。此外，根據情報，廖耀湘已經把國民黨軍的五大王牌之一的新六軍一六九師調到了第一線，很可能明天會以一六九師替代今天的青年軍二零七師。根據上述情況，梁興初決定高家屯仍然由二十八師擔任防守，只是把八十四團撤下，由八十二團頂上去。今天晚上部隊不能休息，要連夜搶修工事。在明天的戰鬥中，只以少數力量守在高地上，而以多數力量隱蔽在高地背後的塹壕里，一有機會就向衝上來的敵人發起反沖鋒。在會上，還傳達了東野總部聽取了十縱當天戰情報告之後的指示：
“盼你們發揚頑強精神，死守陣地，只要守住黑山、大虎山兩點，退卻之敵必遭全殲。大軍正北進。”會議臨散會時，梁興初對乾部們說：
“明天是決定性的一天，如果說我們今天捱的是千磅炸彈，明天就一定要挨萬磅的。但不管壓力多大，只要主力沒有趕到，我們就一定堅決守住。”十縱的戰士們這時還沒有換上棉衣，10月下旬的東北夜晚已經是相當冷了，這天晚上，縱隊各級指揮員和機關幹部將各人穿在身上的棉衣脫了下來，將披在身上的絨毯取了下來，全部送到了前沿戰壕里的戰士們手中。
10月25日，廖耀湘傾其全力，用三個軍中的五個師和兵團的全部砲兵進行進攻，在正面戰場上，果然是以新六軍的一六九師為先鋒進攻高家屯。一六九師不僅有新六軍的砲兵支持，還調來新一軍的砲兵支持。
天一拂曉，敵人眾炮齊轟，一直轟到8時。巨大的轟鳴使得我軍一些戰士的耳朵被震聾、震出了血。砲兵的轟擊未停，又飛來10架飛機進行輪番低空轟炸。由於敵人在火力上和兵力上都大大高於我軍，所以敵人採用了趕群羊的方式，以成團的兵力進行沖鋒，甚至於當我軍與敵軍在陣地上短兵相接進行白刃肉搏時也進行密集炮轟，讓他們的步兵當炮灰與我軍同歸於盡，用以削弱我軍的有生力量。在這種情況下，我軍傷亡慘重。在九二高地上，我八十二團五連全部犧牲，無一倖存，陣地也被攻占。在一零一高地上，我軍以高昂的代價連續擊退了敵人的二十幾次進攻。
一零一高地仍然是雙方爭奪的製高點。我軍在高地上可以清楚地看到和聽到這樣的丑劇：新六軍軍長李濤見久攻不下，竟在陣地上組織敢死隊，由督戰官手拿金圓券大聲叫喊：“弟兄們，現在組織敢死隊，參加者，每人獎勵10萬元！頭一個衝上去的再加一番！”“每人再加5萬！”“每人再加10萬！”就這樣，終於湊成了一支300多人的敢死隊，在一陣炮轟之後再次向高地上沖來。我軍當敵人衝到陣地前沿時，在一陣手榴彈之後，也喊起話來：“國民黨抓來的窮哥們，你們受騙了！你們在這裡賣命送死，丟下妻兒老小誰管！”在手榴彈的威力加上這類喊話的作用之下，無論敵人的督戰官在後面如何賞錢，敢死隊仍然成了怕死隊，潰退了下去。在這種情況下，新六軍來了最後一手，以軍隊內的國民黨黨徒和尉級以上軍官組成一支“效忠黨國先鋒隊”進行反复衝鋒。由於敵人的火力支援太強，終於衝上了高地。於是，我軍的100多名戰士在侯長祿營長率領下和敵人展開肉搏戰，拼刺刀、砸石頭，刺刀斷了用槍托，槍托斷了用手掐，經過了20多分鐘的血戰，敵人的效忠黨國先鋒隊終於手打戰、腿發軟，又被我軍壓了下去。但是，我軍在高地上的戰士愈來愈少，一個營快打光了，敵人的砲火把高地上的陣地削去了幾尺（兩天被反复砲擊之後，一零一高地的高度降低了兩米，成了九九高地），我軍的守衛愈來愈難，幹部戰士非亡即傷。下午4時，敵人對高地進行三面圍攻，高地又被敵人佔領了。
“九九高地”一丟，高家屯就被敵人第二次佔領。高家屯守不住，十縱的其他陣地也就難守。梁興初和周赤萍在與二十八師賀師長等領導幹部研究之後，決定無論如何也要在黃昏時把高家屯奪回來。可是，二十八師已經沒有預備隊了。於是，梁興初調來了八十九團的一個營，二十八師也把能集中的力量全部集中起來。縱隊的山砲營則在從未打過隔山間接射擊的情況下大膽打間接射擊。敵人方面則因為好不容易攻下了高家屯，攻下之後都在休息，未想到我軍會立即發動反攻。下午6時，我軍突然分四路發起反攻，經過50分鐘的激烈戰鬥高家屯的幾個據點又回到了十縱的手中。這次反擊比較順利，我軍得手之後，廖耀湘也未投入新的兵力來與十縱進行再次爭奪。十縱官兵這時還不知道，東北戰局正在發生新的變化，他們肩上“死守三天”的任務已經勝利完成。
經過了一夜的寂靜，第二天凌晨3時，十縱得到了東野總部的急電：“東進主力已到達，敵已向東潰退，望即協同主力動作，從黑山正面投入追擊。”就是說，林彪原來的算計很準，黑山阻擊戰只需要三天，只要守上三天，目的就達到。這是因為，廖耀湘把他的主力用在黑山戰場上猛攻了三天，竟然沒有任何進展，他已經沒有新的辦法，也沒有了再打的信心，而東野的主力已經從錦州方面快速趕到他的附近。在這種情況下他如果再打黑山，就有可能被東野包圍。他為了求生路，決定放棄西進錦州的計劃，也不再走通過黑山去營口的大路，而決定向東南方的台安、大窪方向逃竄，設法從營口的海路逃跑。所以在25日黃昏時，廖耀湘就已下決心不再攻黑山，而是部署部隊掉轉方向，隊尾變成排頭，向東南方向開進。十縱在此情況下不敢有任何鬆懈，為了最快地抓住敵人，僅在一個鐘頭之後，即凌晨4時，就向敵人發起了追擊。
黑山阻擊戰雖然只打了三天，但卻是整個遼沈戰役中有著決定性意義的一戰，因為它堵住了廖耀湘兵團的南逃之路，為東野全殲廖耀湘兵團贏得了極為寶貴的三天。黑山阻擊戰與塔山阻擊戰一樣，是整個遼沈戰役中打得最艱苦、最殘酷的一戰。這其中，二十八師在高家屯的三天阻擊戰又是其中特別殘酷的戰鬥。十縱是新組建的部隊，對手是國民黨軍隊的精銳，而敵我雙方兵力的比例是5∶1。守衛高家屯的八十二和八十四兩個團擊退了敵人的5個師，守衛大白台子的八十三和八十五兩個團也擊退了七十一軍的兩個師。在黑山陣地上，我軍共擊斃擊傷敵人8015人（在追擊時十縱在黑山地區還生俘了6299人），我十縱也付出了傷亡4100人的代價（在戰鬥中，還犧牲了400多個全力支前的民工）。黑山阻擊戰打出了威風，打出了成績，不僅使東野十縱名揚天下，也使黑山這個過去的無名小縣成為一個知名度很高的著名戰場。