轻敌导致的后果极其严重。
总攻时间确定为六月十四日二十时，作战预定三至五天之内拿下四平。六月十一日，先头部队占领了四平外围的几处重要据点之后，攻城部队在大雨中陆续近敌。十四日十六时，攻击部队进入了待命冲击位置。突然，二十架飞机飞临战场，低空盘旋之后，开始了密集的轰炸，轰炸重点是攻城部队的炮兵阵地和冲击前沿。这不是一个好征兆，如果不是攻击时间已被泄露的话，至少可以看出国民党军对四平战场的投入规模和作战决心。
攻击部队埋伏着，没有理会敌机的轰炸。
天色渐暗，二十时，攻击四平的战斗打响。
十五日、十六日两天，攻守双方在狭窄的口子上反复争夺，敌人的顽强出乎了共产党官兵的料想。白天作战，攻击部队暴露，头顶上的飞机不停地盘旋，哪怕发现一人一马也要俯冲轰炸，因此不敢发动进攻，甚至不敢在白天调动部队；而东北地区日长夜短，全天二十四小时中只有不到八个小时是黑夜。黄昏时开始调动部队组织攻击，没打多一会儿天就亮了。李天佑在指挥所里接到的报告称，即使白天不进攻，部队伤亡的人数比晚上攻击时伤亡的人数还要多。
十七日晚，受阻四天的四平城西北角终于被突破，因只有一个突破口而艰难平推的作战局面得到缓解。李天佑投入了预备队，国民党守军稍稍后撤，攻城部队开始向城内核心地带压缩。共产党官兵一座楼一座楼地进行艰苦的爆破，国民党守军一条街、一座楼、一间屋地进行顽强的阻击。在攻击交通宿舍大红楼的时候，攻击部队数次强攻未果，于是一部分兵力挖沟强行接近，一部分兵力迅速跑向已被占领的四平飞机场，从航空炸弹里挖出三千多斤炸药，再抬着炸药火速跑回大红楼前。一连八班副班长李广正带领爆破组连续爆破十二次，终于把这幢两百米长的联体大楼炸塌了一半，守军二六三团的一千一百多名官兵多半被埋在倒塌的废墟之中。
接下来的战斗缓慢而残酷。围绕着每一座坚固的建筑物，攻守双方的战斗不断处于胶着状态。国民党守军在楼房和工事内顽强抵抗，猛烈的火力组成立体火网，并在两军接触线上投掷燃烧弹。守军的炮火更是片刻未停，一边对前沿支援轰击，一边对共产党攻击部队的后方实施封锁，其轰击的猛烈令攻城部队官兵大量伤亡。
陈明仁征用了一切可以投入作战的人员，包括政府官员、警察以及四平城内的平民百姓，他发给他们武器，要求他们立即参战。陈明仁决心与四平共存亡。——他先是立下遗嘱，然后把自己的棺材抬出来给大家看。他的命令是：独立死守，打光为止，转移和放弃阵地的命令只有军长一人有权发布。第一道防御线的部队一律不准撤退，凡是后退者，第二线防御部队有权射杀他们。
十九日，共产党攻击部队把不久前缴获的七门美式火箭炮推了上来，对准中央银行和市政府大楼进行轰击，两座大楼很快就被占领。在攻击电信局大楼时，守军指挥者为第七十一军军法处长。攻击部队虽然已经占领大楼的下层，但国民党守军据守上层拼命射击，坚决不肯投降。最后，攻击部队在大楼下安放了大量炸药并且引燃导火索。巨响之后，大楼和守军一起毁灭。
电信大楼被炸毁的时候，陈明仁突围而出到了城东区。
二十一日，四平城西区被共产党攻城部队占领。这时，战斗已进行到第八天，李天佑的部队付出八千余人的代价占领了四平城内的一半城区。
该日，林彪命令：“决付出一万五千人的伤亡，再以一个礼拜的时间，将此仗打到底，达到完全歼灭敌人和打垮敌之守城信心。”
但是，不但攻击四平东区的战斗依旧进展缓慢且伤亡巨大，而且杜聿明的部队已经开始从沈阳和长春南北两面增援而来。四平危急令蒋介石十分震惊，他终于决定将第五十三军从华北调回东北，并严令杜聿明在六月三十日之前解四平之围。
在郑洞国的指挥下，第五十三军首先占领了本溪，解除了沈阳侧翼的威胁，然后一路向北直扑四平。杜聿明所能调出的全部增援兵力共九个师，很快就在四平以南与林彪早就部署好的打援部队接火了。尽管林彪部顽强阻击，但终究兵力不足，难以在运动中歼灭来敌，只能迟缓其增援速度。郑洞国留下战斗力最强的新六军与林彪的打援部队周旋，然后亲率第九十三、第五十三军和第五十二军一九五师顽强地向四平靠拢。
担负掩护任务的新六军很快就遭到猛烈的攻击。一六九师在八棵树附近丢失了阵地，军长廖耀湘大为光火，严令师长郑庭笈迅速收复阵地。一六九师在飞机和炮火的掩护下不顾一切地反击，战斗终以林彪部队因伤亡过大撤出战斗而结束。
六月二十六日，向四平急速推进的郑洞国突然发现，一直监听中的林彪部的电台信号减弱了。郑洞国判定林彪的部队已处在转移之中，于是迅速命令部队全部投入正面进攻。
这一天，攻击四平东区的战斗虽在继续，但共产党军队的攻势已经减弱。林彪面临的局面是：攻克四平希望渺茫，增援之敌兵力强大，不但没有将其包围歼灭的可能，连将其阻截都无法有效地做到。而且，无论是攻城部队还是阻援部队此刻都面临着分兵两面作战的处境。
六月二十八日，郑洞国和第九十三军军长卢浚泉亲临前沿。第二纵队官兵拼死阻击，一步不退，激烈的拉锯战进行了整整一天，万分焦急郑洞国突然接到侦察队的报告，说四平方向的枪炮声逐渐稀疏。郑洞国以为四平已经陷落，而一旦如此，无论是对苦战中的陈明仁，还是对于蒋介石的严令，他都感到没法交待。郑洞国要求卢浚泉的第九十三军黄昏之前必须突破共产党军队的阻击线。
下午十三时，第九十三军的左前方突然传来猛烈的炮声，原来左翼的第五十三军在军长周福成的率领下突击成功。二纵奉命撤出战斗。
四平城内的陈明仁得到增援部队接近的消息后，立即派出部队从城内向城外突击予以接应。六月二十九日，增援四平的第九十三军先头部队到达四平南郊，第五十三军和新六军的一九五师到达四平西北的八面城。
林彪下达了全线撤退的命令。
六月三十日凌晨，一纵三师最后撤离四平战场，历时半个月的四平攻坚战结束。
四平之战，林彪部付出了伤亡一万三千余人的代价，战斗以放弃攻击而告终。
共产党军队在东北地区发动的夏季攻势结束了。
四平该不该打以及失利的原因，长期以来争论不断，但所有的争论似乎都过于具体而丧失了反思的力量。四平之战结束十三天后，林彪给李天佑写了一封信，信中所言值得注意：
……要把实事求是的原则，一切决定于条件的原则（这个原则我同你谈过），革命的效果主义的原则，实践是正确与否的标准的原则，加以很好的认识……凡一切主观主义的东西，无论他是美名勇敢或美名慎重，其结果都要造成损失，而得不到胜利的。
林彪部从四平全线撤退的那一天，南京国民党政府最高法院发布了“采取紧急措施”的训令，其中的“紧急措施”之一是：全国通缉共匪首脑毛泽东。
此刻，毛泽东正在陕北近在咫尺的敌情中艰难地转战着。
