虽然打进了四平城里，但东北民主联军也感到陈明仁比想象的要顽强。经过三昼夜巷战虽然打垮**的反冲锋，但一纵第一、第二两师却各付出1500人以上之伤亡，但进占地区仍是狭小，俘虏不足千人。为此**不得不改变部署，让邓华调出一个师支援一纵向纵深突破，同时投入总预备队—六纵第十七师。
从17日开始，一纵向陈明仁的核心工事发起进攻。六纵第十七师投入战斗，接替已经苦战几昼夜的一纵第一师继续进攻。18日，邓华纵队在西北角冲破敌军防线，杀入城北，与第十七师对**形成两面夹攻。在核心阵地外围的日本神社、游泳池、电信大楼、中央银行、市政府、油库等地都在进行激烈战斗。陈明仁所部利用坚固楼房，以轻重机枪和步枪构成火力网—前沿地堡配冲锋枪、步枪和一二挺轻机枪，重点工事配重机枪和六零炮，再后面是迫击炮。在楼房上则设上中下三层火力。我军沿街道向楼房接近时，陈明仁所部用纵火和投燃烧****的办法，阻挡东北民主联军推进。同时位于东部的炮兵阵地不断向东北民主联军的后续梯队炮击。当东北民主联军发动擅长的夜袭之时，轻重火力则一齐开火，炮兵更是看步兵枪弹的火光打到哪里，他们就向哪里炮击。
由于陈明仁在战前宣布死守四平的决心。他说：“生死关头，欲走无路；唯有合力奋战，以战图存。”他立下遗嘱，并抬出为自己准备的棺材示众。更在每条防线都设立了督战队，每个据点里都由老兵监视新兵。这就与野外作战不一样了。野战中新兵一逃，老兵也制止不住，于是兵败如山倒。而今陈明仁逼迫他们人自为战，并且断绝了他们的后路，于是再怕死的人也得拼命作战了。这一点恐怕是东北民主联军在城市攻坚战中所没有想到的。
面对**的顽抗，东北民主联军迅速又投入了六纵第十八师参加四平巷战。在强大攻势面前，19日银行、市政府和电信局大楼相继被攻克。20日晚，第七十一军军部被攻占。陈明仁的弟弟—特务团团长陈明信被俘，但陈明仁依旧死战不退，将主力转移到东区继续坚守。
经过8天的血战，东北民主联军虽然攻占了四平的一半。但战斗之残酷激烈是前所未有的。虽然守军遭受了沉重打击，但攻坚部队也付出了巨大伤亡。一纵第一师和六纵第十七师都已打得筋疲力尽，邓纵也相当疲劳。6月21日，**和罗荣桓联名电令各纵队指挥官—“……我伤亡已逾8000余人。决付出15000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。”
最终从6月21日起，东北民主联军开始进攻四平铁路以东市区。一纵第三师、六纵第十六、第十七、第十八三个师和邓华纵队全部投入战斗。十八师从四平车站以南突破，邓纵从天桥与铁路公园之间突破，进入东区。原来估计陈明仁的部队剩下不多，使一把劲就拿下来了。然而，21、22日两天战斗，双方依旧打得你死我活，几乎比西区争夺战还要激烈。
**的防御显然比在西区作战时显得更有经验。东北民主联军第一梯队冲到前沿时，**立即组织猛烈炮火打后面的第二梯队。然后集中力量与火力反击第一梯队，使攻坚一方前后不能策应，伤亡很大。而东北民主联军每占领一片地区后，**用炮火轰击，将房屋统统打烂，让对手立足之地，而东北民主联军采用的对策是：用土工作业挖交通沟、隐蔽部，向敌接近。包抄敌人或分割敌人防区，组织好火力后，再发起攻击，避免伤亡。在敌人反冲锋时坚决地打，争取大量杀伤敌人。
22日夜里，邓华纵队的第一、第三师突入东区后，连续夺取4个地堡。击退了陈明仁亲自组织5次反冲锋，但是在23日清晨晨的最后一次反冲锋前，邓纵遭到了**炮火的猛烈攻击，伤亡过大，被迫退出。一纵司令李天佑不得不于23日报告**：“昨日战斗甚慢，估计尚需三四天才能解决战斗。邓纵伤亡过大，目前只能依靠六纵。”
而同样守军此刻也已支持不住了，陈明仁所属第八十八师已全部打光了，第八十七师和第五十四师也是伤亡大半。为了支撑局面，陈明仁征用了一切可以作战的人力—把省府官员、警察、铁路警、兵站、医院、车站等所有人员，加上城外跑进来的外地保安队，统统拿起武器参战。天桥以南阵地是第八十七师与第五十四师的接合部，陈明仁担心这里会被突破。在无兵可调的情况下，陈明仁把直属队兽力营的200多名马夫组织起来，由50多岁的老营长带领，扛着枪担任防御。这些一向被长官看不起的马夫们，居然防守了4个昼夜。往返冲击十几次，四平之战结束时，全营只剩30多人了。
如此惨烈的攻防战，其最终的关键也就在于谁能更快的获得增援。四平激战正酣，陈明仁不断向沈阳和南京求援。蒋介石极为震惊，终于下令抽调第五十三军开赴东北增援。并给杜聿明下了严厉的命令：限6月30日以前解四平之围。6月17日，郑洞国指挥第五十三军进攻本溪，占领本溪之后，匆匆作了防御部署，即于6月20日赶到铁岭，部署大军北上解四平之围。这一次杜聿明调集了一切可以调出的兵力共9个师，交给郑洞国指挥。
经过分析情报，杜聿明认为“共军”主力可能埋伏在开原以东地区，待******援军通过后，他们就会切断中长铁路，迫使**在铁岭、开原以北地区与其决战。这样不仅救不了四平，十几万援军也有被消灭的危险。郑洞国与各军首领研究后，作了如下部署：以战斗力最强的新六军攻占开原以东地区，掩护主力沿中长路向四平开进。第九十三军由昌图北进，第五十二军的第一九五师殿后；待他们开始行动后，本溪的第五十三军即迅速北上支援，做总预备队。随战斗发展，从左翼迂回向四平以西前进。同时出动空军配合作战。<div>