八十二团和警卫营还派出部队分别挖断了通向黑山的两条主要公路，挖掘了反坦克壕和反坦克陷阱，经过一昼夜的奋战，主要阵地工事初具规模。城东高地是全纵队防御的重点，东可控东沙河以东平原，扼制北宁铁路，西可虎视黑山县城控制沈（阳）山（海关）公路，这是一条南北走向的丘陵，长约2.5公里，最宽处约1公里，在黑山城东北方形成一道天然的屏障，由北向南依次为92高地（今标高62．8）、101高地（今标高78．2）、下湾子西高地（今标高58．7）、94高地（贺家洼子东侧，今标高70．6），东侧有高家屯西北无名高地，其101高地为最高点，是防御方向的主阵地。但城东高地是土石山，构筑工事极为困难，二十八师集中了2000多人，一昼夜仅挖出了不足1米深的堑壕1000米，用了200条麻袋堆集了10个火力发射点，根据这种情况，纵队和二十八师决定，请求地方政府支援，抢筑堆积式野战工事，在县政府的动员下，群众捐献了大批物资，仅木料就有5000多件，县里又组织民兵和民工，参加构筑工事，终于在22日前完成了任务。
廖耀湘兵团原认为在黑山地区解放军的兵力不大，攻击容易得手，21日，在半拉门方向，国民党四十九军主力和骑兵三旅，向独立二师阵地发起攻击，以炮火反复轰击，使独立二师抢修的野战工事遭到严重破坏，战斗进行了1天，国民党军没能前进。当日，廖耀湘决定，将新一军的重炮配属七十一军继续攻击黑山。
22日，国民党军新三军第十四师加强四十九军继续打通去黑山的公路，与独立二师发生了激战，国民党军屡攻不下，伤亡加大，攻势也逐渐减弱，天黑时，便停止了攻击，此时，独立二师已完成了绕阳河以西的阻击任务，奉命撤出了阵地，转向励家窝棚后，去大虎山待命。
内蒙古骑兵一师担任接应、掩护，撤至胡家窝棚警戒阵地一线。但同时国民党军二○七师三旅也逼近了胡家窝棚。同日，七十一军从芳山镇向黑山方向进攻，进展不大，但接近了尖山子警戒阵地。下午，廖耀湘改命新一军军长潘裕昆为攻击黑山的总指挥官，指挥新一军、七十一军、二○七师三旅，令其23日占领黑山。新一军以三十师从正面向南攻击，以五十师之一部附军骑兵团从西北方向直插正安堡，迂回黑山侧后，截断守军后方交通联络。并以重炮集中支援正面部队的进攻。
10月23日，国民党军向黑山地区发起了进攻，首先在两个警戒阵地展开。零晨3时，二○七师三旅在重炮和飞机的掩护下，向胡家窝棚阵地发起了猛烈的攻击，守军内蒙古骑兵一师一团缺乏坚守阵地的作战经验，部队又没发冬装，经半月连续奔袭十分疲劳，但在战斗中，与国民党军进行了反复抗击与争夺。国民党军重炮和飞机将一团的主阵地炸成一片火海，二○七师三旅一部绕过东沙河，迂回侧背，夺取了134高地，对一团防御阵地形成三面包围之势，一团依托工事以火力和手榴弹打退了国民党军多次冲锋，直至进入了白刃格斗。
第一团团长平安负伤后仍坚持指挥，二连指导员图门负伤不下火线，连长布和吉雅负伤后带领全连坚守阵地，最后牺牲。
战士白斯古朗牺牲时，嘴里还咬着一只国民党兵的耳朵，全团苦战了7个小时，击毙国民党军数百人，牺牲了60余人，完成了阻击任务。
当日中午，奉命撤出阵地，转移到大虎山一带布防。同日9时，国民党七十一军九十一师二七二团两个营，向尖山子警戒阵地发起了进攻，二十八师八十二团二营七连在连长田老保的指挥下，以灵活多变的战术，坚守了阵地。第一次进攻时，国民党军选择了沿山势平缓的西坡进攻，在距山顶有五六十米时，七连所有的武器一齐开火，国民党军仓皇退下山去。
接着国民党军又从山势陡峭的东坡进攻，以山石、树木做掩护，七连采取了正面用步枪狙击，以机枪在翼侧开火，结果又将国民党军打退。第三次国民党军加强了炮火支援，增加了兵力，以数路并进的战术发动了进攻，又被打下去了，接着又打退了两次进攻，大量杀伤了国民党军，战至黄昏，七连完成了任务，按预定的方案撤出了警戒阵地。
为了增强大虎山方向的防御，确保十纵队的两翼安全，23日18时，东总令北上的八纵队迅速前出到大虎山地区，一纵队三师进至黑山西北的洞口至医巫闾山之间。八纵队于20日，从锦县新庄子、双羊北上，夜行昼宿，于22日达北镇的沟帮子、大吴屯、青堆子地区，隐蔽待机，接到命令，马上作出部署：二十二师占领大虎山以南蛇山子一带，其六十四团进占高山子，六十六团进占腰台子屯，六十五团一营进占赵家窝棚，三营进占大王家窝棚，二营及团指在蛇山子及其附近地区展开；二十四师进占中安堡、瓦房店、土堡子、陈三家地域；二十三师进占袁台、中心台、四方台、窟窿台及其以西地人民解放军攻克锦州得胜之师，潮水般涌向辽西战场域，纵队司令部进至常屯。
一纵队三师是十纵队的二梯队，一直担任修路、构筑工事等战役准备工作，10月20日，由沟帮子进至黑山以西四堡子地区待机，随时支援十纵队的战斗，当夜，三师轻装跑步到达了预定地点，构筑工事。八纵队和一纵队三师的到来为黑山、大虎山防御增强了依托。
23日，国民党军没有攻下黑山，廖耀湘也预感到黑山的守军得到了增援，是在死守，又得到新一军骑兵团和北镇方向的便衣侦探报告，锦州的解放军已挥师北上至北镇地区，他深感时间紧迫，不能等攻下黑山再向营口撤退了，便立即向卫立煌报告，执行向营口撤退计划，卫立煌同意，但还说万不得已，可退回沈阳。23日晚9时，廖耀湘向兵团下达了撤退的命令，令新六军于24日行动，新三军主力于25日随四十九军后行动，到达黑山以东地区后，占领交通要点，阻止追击，并接应新一军，骑兵旅于24日移至彰武、新立屯地区，以掩护兵团后尾。潘裕昆指挥新一军、七十一军、二○七师三旅继续猛烈攻击黑山，争取在两天内夺占，不能占领，则以攻击行动，阻止解放军反击，掩护主力向东的撤退。
24日，国民党军在炮火的支援下，在黑山的防线上展开了5个师的兵力，分别向大白台子阵地、城东高地、蒋家屯阵地、大虎山铁路桥阵地发起了攻击。在蒋家屯一线，国民党军出动了4个营的兵力，在炮火的支援下，从拉拉屯向八十六团阵地发起了两次进攻，均被击退。战斗最激烈的在城东101高地方向，早6时，国民党军4架飞机飞临黑山上空，投弹轰炸，设在张家窝棚的重炮阵地向高家屯一线实施了猛烈的炮击，国民党军二○七师三旅分三路向92高地、101高地、高家屯石头山发起了进攻。
8时，七十一军九十一师又以1个营的兵力，向大白台子的八十三团阵地发起进攻，以配合进攻高家屯，遭到八十三团的顽强阻击。坚守城东高地的八十四团二营，在师山炮营的支援下，顽强抗击，打退了3次冲锋，但高地上的工事大部被炸毁，人员伤亡很大，国民党军也在阵前留下了数百具尸体。12时30分，国民党军以重炮轰击后，以1个多营的兵力向高家屯的石头山连续猛攻，八十四团二营六连一排击退了3次冲锋后，只剩下4人，激战至14时30分，阵地被国民党军占领，石头山阵地失守，使92高地西侧暴露。15时，国民党军1个营会同占领石头山之分队，由西、北两个方向对92高地攻击，高地东侧的山东屯阵地因受国民党军牵制，无力给予92高地火力支援，坚守92高地的二营四连指导员刘宝珊一面沉着指挥应战，一面进行战场鼓动宣传，“刺刀见血最英雄，杀敌立功最光荣”，一排长李永发把口袋里的钢笔、零钱等一把掏给指导员，喊道：“要是我牺牲了，就让这笔、零钱作为我最后一次党费吧！请指导员放心，我们一排决不会出现‘草包’！”
四连打退了3次冲锋，全连只剩下20多人，接着国民党军又以1个营的兵力发动了第4次冲锋，前来增援的六连的两个班，中途遭炮火拦阻，大部伤亡，四连弹尽粮绝，团令其撤出阵地，以加强101高地防御，李永发排长带领6名战士掩护全连撤退时，阵地被突破，他们与国民党军展开了白刃格斗，李排长身负重伤3处，仍用刺刀拼倒了5个国民党兵，最后6个人全部牺牲，战后纵队授予一排为“李永发排”荣誉称号。
石头山、92高地失守，守山东屯阵地之五连又被国民党军四面围攻，101高地上，八十四团二营四连、六连所剩的20多人仍在坚守，山上弹坑累累，碎石成片，几乎所有的土木结构的火力发射点，全被炮火毁坏，高家屯一线阵地处在危急之中。15时30分，国民党军集中了两个营的兵力向101高地发动了新的一轮进攻，打退国民党军的4次冲锋后，101高地上只剩下了5名战士，手榴弹已全部用光了，经肉搏后全部牺牲，101高地也被国民党军占领。
城东阵地失守，国民党军将要直逼黑山县城，整个防御体系将会被割裂，情况十分紧急。二十八师师长贺庆积立即命令，由八十四团团长蓝芹指挥，动用预备队八十二团一、三营，纵队以12门山炮和师炮营给予火力支援，夺回高家屯阵地，恢复防御态势。16时20分，经炮火准备后，一营向101高地发起反击，三营分两路向高家屯石头山和92高地出击。国民党军占领阵地后，立足未稳，山上又没有工事可利用，经炮火一覆盖，伤亡很大，经30分钟激战，二十八师成功夺回了101高地及附近的小高地。
24日，新六军军部率一六九师到达了黑山北的胡家窝棚，新二十二师到达了大虎山东北宁线铁路以南地区，廖耀湘率兵团指挥所随新六军军部行动，令新六军停止前进加人战斗，换新六军军长李涛担任进攻黑山方向的总指挥，第一六九师占领胡家窝棚以东高地，支援二○七师三旅、新二十二师相机占领大虎山。15时，新二十二师1个连向大虎山铁路桥阵地发起攻击，被守军击退后，退回十八家子，新二十二师六十六团向大虎山南侧迂回，占领了五台子。
15时50分，国民党军以炮火向曹家壕、三台子猛轰，并以一部兵力向四台子发起了攻击，六十六团继续向青台泡迂回，十纵队发现后，由三十师八十八团三营配属九二步炮连，跑步抢占了青台泡，同骑兵一师一起利用民房、土围子等有利地形阻止国民党军的迂回，实施了反冲击，并展开了肉搏，战至黄昏，打退了6次进攻，国民党军伤亡了500余人，被迫撤回。
骑兵一师在邱家窝棚、庞家窝棚一带，阵地间隙大，工事薄弱，他们发扬骑兵的特长，沉着应战，组织了侧后迂回出击，坚守了阵地，入夜，对峙中的国民党军惊慌失措，强迫老百姓砍伐树木，摘下门板，推出大车，在阵前设置障碍，以防骑兵一师夜袭。
此时，国民党第四十九军到达了绕阳河西侧的半拉门。根据当天战斗情况，廖耀湘又调整了部署，以四十九军及新三军第十四师为兵团南撤营口的先头部队，担任兵团的战略前卫任务。新三军主力由新立屯到达黑山以东地区，随四十九军后跟进，新六军及二○七师三旅的防务由七十一军接替后，随新三军后南撤，新一军及七十一军为兵团的后尾部队，担任后卫任务。
李涛指挥二○七师三旅及新六军继续向黑山、大虎山猛攻，牵制守军的行动。
当天夜里，十纵队组织部队同当地群众一起，冒着寒风扛铁轨、抬木料，加修了101高地的工事，补充弹药，抢救伤员，机关和非战斗分队把大衣、军毯等防寒用品送到一线连队，县政府也把筹集来的棉袄、棉被送到战士们的手中。在纵队指挥所里，纵队首长听取了各师战况汇报，分析预测25日将会有更大的战斗行动，战斗的重点仍在争夺城东高地上，所以令二十八师要坚决死守，实现东总首长要求，“务使敌尸横遍野而不得前进一步！”二十八师师长贺庆积、政委宴福生代表全师向纵队首长保证：哪怕战至一兵一卒，决不让敌人跨过阵地一步。并以主力八十二团接替城东高地防御任务，八十四团二营为预备队，二十九师、三十师也调整了部署。此时，八纵队二十二师由沟帮子地区北上到达大虎山地区，接替了骑兵一师的防务，骑兵一师于25日转移至大虎山西北的高立板、三家子一带待命。
25日清晨，贺师长带一行数人在92高地的掩蔽部开设了师前方指挥所，召集八十二团营以上干部开了碰头会，鲁团长汇报了八十二团的兵力部署：二营配置在101高地上，三营配置在孙家屯东北之小高地并控制公路，一营担任预备队。最后，贺师长提出要求：
第一，一线兵力不要过密，注意隐蔽，不能过早进入阵地，以减少伤亡，保存战斗力；第二，要敢于近战，发扬步枪、手榴弹近距离杀伤的威力；第三，由于兵力、火力相差悬殊，必须组织预备队，随时作好反冲击准备，一旦阵地被突破，迅速组织反击，夺回阵地。
当天，国民党军集中了5个师的兵力，向黑山、大虎山一线发动了新一轮进攻，重点仍是黑山城东高地一线。6时，位于东沙河东岸段家屯的国民党军重炮群，向城东高地进行了集中射击，炮火准备之后，国民党军在飞机的掩护下，向城东高地发起了进攻，十几架次飞机在高地上空边投弹，边俯冲扫射，八十二团伤亡很大，团组织了对空火力，用机枪、冲锋枪、步枪向俯冲的飞机开火，使飞机不敢低空飞行。接着新六军一六九师及二○七师三旅一部全线展开冲击，在1个小时内一六九师向高家屯阵地发起了3次冲锋，均被击退，第4次冲锋时，先以1个连的兵力冲向石头山阵地，同守军八十二团二营1个排展开肉搏时，国民党军随即向石头山炮击，使双方的兵力全部伤亡，石头山阵地被国民党军占领，造成了92高地西侧暴露。10时，国民党军组织了4个营的兵力，从石头山和山东屯两个方向夹击92高地，师即令师山炮营以火力实施拦阻射击，国民党军遭到很大杀伤，没能靠近92高地。
但很快国民党军动用重炮群，压制了八十二师山炮营，同时，以4个营的兵力继续向92高地冲击。八十二团二营五连在连长、指导员相继牺牲的情况下，班、排长自动担任指挥，杀伤了国民党军100多人，连续击退了两次冲锋，阵地上只剩下了10余名战士，国民党军以两个营的兵力，分3路发起第3次冲击，进到前沿30米时，五连一齐突然开火，杀死30多人，但后续部队仍向上冲，最后10余名战士拉响了集束手榴弹，与冲上阵地的国民党兵同归于尽。