1948年1月，刘亚楼任东北野战军和东北军区第一参谋长。

1948年9月，毛泽东发出了《关于辽沈战役的作战方针》，林、罗、刘于10月1日发出了《准备夺取锦州，全歼东北敌人》的战斗动员令。然而，10月初，林彪担心攻打锦州会遭到沈阳、锦西、葫芦岛之敌前后夹击，攻打锦州的决心发生了动摇，私自以林、罗、刘名义向中央军委发出加急电报，提出放弃攻打锦州而返打长春。刘亚楼从战局需要出发，站在罗荣桓一边耐心劝说林彪：“我同意罗政委的看法，葫芦岛的敌军不足以影响我军战略决策的改变。”林彪终于同意攻锦，并向毛泽东重发了一封攻打锦州的电报。毛泽东当即回电：“你们决心攻打锦州，甚好甚慰。”

为保持攻打锦州的突然性，刘亚楼独具匠心，设计了大规模的战役佯动。他让东野摆出一副攻打长春的架势，抽调几个独立师，白天编成大部队，从四平附近大张旗鼓地向长春方向开进，让各级电台不断地收发电报，下达作战任务。这些部队夜间乘火车返回出发地，白天再向长春开进，如此反复，连续数日，造成浩浩荡荡的大军向长春调动的印象。针对国民党军监听我军电台的情况，刘亚楼令参战部队的无线电大搞伪装。为对付敌军空中侦察，刘亚楼让北线部队南下采取火车运输的方式，既保密又高速。为了让部队把“戏”演得真实可信，辽沈战役这么大规模的行动，开战前竟未开会布置一下，以至纵队司令员都蒙在鼓里。结果，当东野大军将锦州之敌团团围住时，东北“剿总”副司令范汉杰还以为东野的主要目标在长春——此前，他特地将夫人接来锦州一起欢聚。

1948年9月25日，东野攻打锦州前夕，刘亚楼忽闻国民党将由沈阳空运四十九军增援锦州的消息，于是急令封锁锦州机场。次日，八纵回电请示：“锦州敌机场有二，一在锦州东面金屯附近，一在锦州西面小岭附近。金屯附近机场已几年未用，敌机起降均在小岭机场。不知封锁哪个机场？”刘亚楼阅罢电报，大怒，打电话骂道：“你们两个饭桶，两个机场，一个能用，一个不能用，封锁哪个，还用请示吗？你们是吃草的还是吃饭的？”骂毕，刘亚楼迅速采取补救措施，急调九纵和炮纵火速赶到机场，狂轰正在空运的敌运输机，敌机被迫中断空中对锦州的支援。9月30日，毛泽东致电“林罗刘”，表扬九纵控制机场：“毁机5架，甚慰。望传令嘉奖。”

10月10日，国民党军陆海空联合向无险可守的东野塔山阵地发起凶猛的攻势，塔山九易其手，终被我夺回。当四纵吴克华司令员报告塔山守军损失过半时，刘亚楼在作战室里吼道：“101说了，不要你们的伤亡数字，只要塔山。”攻打锦州时，刘亚楼对苏静说：“四纵那里将有一场恶战，你一定要协助吴克华司令员、莫文骅政委指挥部队死守塔山，哪怕血流成河，也不能叫敌人前进一步。你告诉他们，塔山丢了，提着脑袋来见。”四纵被激励得热血沸腾，拒绝了刘亚楼派一纵支援的提议，整整六昼夜，抗住了不下10万发炮弹和难以计数的子弹，硬是把这个低小的山丘打成了一座名山。四纵死死地钉在塔山，使侯镜如东进兵团无法驰援锦州。14日起，在“林罗刘”的现场指挥下，仅31小时锦州便落入东野手中。