1月1日，陈诚主持军事会议，宣布三路大军自新民、沈阳、铁岭一线排开，全面出击，以解救沈阳西北仅存的法库据点之围。其中，左路为新5军从新民推进；中路由第71军和新1军联手，自沈阳进发；右路则由新3军和新6军并肩作战，从铁岭方向挺进。
在这三路国军劲旅中，兵力最为薄弱的新5军位于左路，成为东野预设的首要攻击目标。陈诚以其战略智慧指引下的三路大军，自此踏上了未知的命运之路。
辽河三角区战场上，林彪精心布局，在环辽河三角区内线战场调遣四个纵队，六纵迅速北返大孤山地区，协同二纵、三纵、七纵承担起对敌军的围歼重任。而外线则部署了一纵、四纵、十纵共三个纵队，同时锦州东翼铁路沿线配置八纵和九纵两个纵队，总计九个纵队约25万兵力严阵以待。
新5军在陈林达的带领下，凭借其机械化部队的优势，推进速度最快，率先抵达巨流河车站。陈林达误判形势，轻敌冒进，下令卸下大部分辎重，全军仅携带三天口粮，全力向法库推进。殊不知，这正步入了东野的包围圈。
1月2日至4日间，新5军与东野交战三天，陈林达仍未察觉潜在的危机，陈诚亦未洞察此情，反令两翼部队加速推进，意图解除法库之困。至4日深夜，二纵、三纵及七纵已全部集结公主屯战场，成功合围新5军。
1月5日凌晨一点，林彪下达全面进攻命令，四大纵队联合猛攻至下午，新5军陷入无法前进一步的困境，退守于以公主屯、王道屯、温家台、安福屯为中心的三角区域。此时，围歼新5军的战场已经扩展成为一个跨越辽河两岸，面积高达1500平方公里的巨大战场。
直至此刻，陈林达才如梦初醒，意识到四周至少有四五支敌军番号对其形成包围之势，他紧急电告陈诚请求撤至物资充足的巨流河车站坚守。行辕参谋长赵家骧提出了早已拟定的辽河南岸防守方案，建议新5军快速后撤至巨流河车站，并让外围部队迅速增援南岸，双方合力应对此次危机。
然而，陈诚犹豫不决，仍试图利用新5军牵制东野主力，借机调动外围部队合围夹击。6日下午，三纵八师以惊人速度解决掉驻守安福屯的584团，拉开了公主屯围歼战的序幕。而在对王道屯的攻势中，由于侦察情报不足导致基层建制遭受严重打击，成为了初期攻坚失利的典型。
阻援战场上，一纵与四纵在辽河南岸构建起坚固防线，成功阻挡了新1军和第71军的猛烈冲击。廖耀湘亲率新3军和新6军发起侧面强攻，一度威胁到阻援阵地，但梁兴初指挥部队顽强抵抗，最终稳住阵脚。
关键转折发生在6日晚上八点，面对可能破裂的阻援防线，林彪发出坚决抗击的命令，要求沉着应战，实施小规模反击，无所畏惧伤亡。此时，二纵5师师长钟伟主动请缨，林彪果断授权，将韩先楚三纵主力划归钟伟指挥，钟伟以师长身份统率一个纵队，创下东北战场上的历史先例。
钟伟接手后，立即指挥前线士兵在温家台外围挖掘壕沟，并以高粱杆铺面泼水成冰，打造难以穿透的“冰壕”。1月7日上午八点半，总攻准时开始，仅一个小时便直捣黄龙，一举摧毁新5军军部及第195师师部，俘获包括新5军军长陈林达在内的大量高级军官以及五千余名官兵。
与此同时，十纵在沉檀木阵地与敌激战正酣，廖耀湘再度发动猛攻。梁兴初留下两师坚守阵地，另派一师从西翼穿插侧击，竭力为钟伟的主攻争取时间。随着新5军被彻底瓦解，外围国军闻风撤退，公主屯围歼战终于落下帷幕。
此役，东野冬季攻势第一阶段取得决定性胜利，共计毙伤新5军7100余人，俘虏13000余人。陈诚在其回忆录中提及这场战役时，表示自己原本认为共军集中力量进攻公主屯是绝佳的歼敌良机，但因廖耀湘兵团未能及时行动，仅相差十公里的距离，导致新5军苦战五昼夜后覆灭，最终功亏一篑。蒋介石于1月9日亲临沈阳召开紧急军事会议，痛斥在座师级以上将领后拂袖而去。随后，秦皇岛成立冀热辽边区指挥所，范汉杰担任司令部长官，这一系列动作昭示着蒋介石不仅要换将，更要在东北战场上演一场扭转乾坤的战略布局。
