其中，南海口关，濒临渤海，拱卫着整个防御体系的倚海侧翼；南北水关，紧傍山海关城；角山关、寺儿峪关和滥水关，高踞角山之巅，为整个防御体系的制高点；三道关，则是堵塞双峰对峙峡谷深沟中的关隘，有“一夫当关，万人莫开”之势；一片石关，为山海关防御体系的临山侧翼要塞，号称“京东首关”，此处的长城建在九江河上，两岸高山对峙，长城跨河而过，城下六座券门泻水，连同一片石关城三座门，故称九门口。
  对于负有守卫山海关任务的张鹤鸣来说，这散布在50余华里的十个雄关险隘，处处需守，然而兵员及装备都将处于劣势。
  在作战会议上张鹤鸣宣布了防御部署：“第一，根据山海关的地形和我旅的兵力，无法实行宽大正面的一线防御，否则，不仅守不住阵地，还会暴露我们兵力匮乏的弱点。
  第二，山海关城西之大石河，为屏障关城的天然障碍，第一线防御部队须充分运用之。
  第三，山海关城北部山地的石门寨、九门口是扼守山海关的关键，而角山又是防守山海关阵地的支撑点，因此，全旅防御的重点是石门寨、角山、九门口一线。“
  根据旅的统一部署，第四十六、四十七、六十四团分别将部队配置在南起山海关城，北至九门口，西达石门寨的三角地域内，凭借互为犄角之势阻止国民党军进入东北。
  这场保卫山海关的战斗首先在龙水文率领的四十六团防御阵地打响。
  10月25日，先期抵达秦皇岛的国民党军队，在美军的配合下，以一个团的兵力向山海关扑来。
  走在前面的，是一辆美式吉普车，上面坐着两个美国军人和三个国民党官兵。吉普军开至四十六团防御前沿50余米处停下，车上的国民党军官向我方阵地喊话，声称奉命进城同八路军谈判，联系接收山海关事宜。负责前沿指挥的八路军营长宋春垠向对方说：驻防此地的是中国共产党领导的东北人民自治军，东北已经被人民自治军解放，我们负责守卫山海关，请你方迅速撤离……宋春垠的话还未说完，国民党军便发起进攻。国共在关外的战争由此拉开了序幕。
  当日，国民党军在飞机和炮火掩护下，向四十六团防御的首山、角山至
  二郎庙阵地发动了轮番攻击。26日双方又激战了5 个多小时，结果，国民党军伤亡300 多人，退回秦皇岛。
  从10月25日到11月3 日，是山海关保卫战的第一阶段。此时国民党军主力部队还未到达，但我方已付出了沉重代价，牺牲营长以下官兵400 多人。
  11月2 日晚，山东军区第七师师长杨国夫率部抵达山海关。第七师下辖第十九、二十、二十二三个团，共7000余人。 10 月中旬。第七师收到火速增援山海关的电报。于是，部队星夜兼程，由承德绕道九门口，迂回抵达山海关。几天后东北人民自治军总部任命杨国夫任山海关守军总指挥，张鹤鸣任副总指挥。
  10月30日至11月1 日，国民党第十三军由九龙抵达秦皇岛，接踵而来的是从越南运抵的第五十二军。第十三军是国民党装备最好的部队，五十二军也算半美械装备。11月6 日这两支部队已推进到山海关以西的沙河，同东北人民自治军呈对峙态势。8 日杜聿明在他的专列上召开作战会议。会上，十三军军长石觉谎称共军火力强大，建议重新考虑是否攻打山海关。杜聿明亲上前线了解情况，遂令石觉部立即发起攻击。
  国民党第十三军第八十九师在飞机和大炮掩护下一度占领二郎庙和角山，但伤亡惨重。杜聿明见正面进攻屡屡受挫，又命：十三军正面主攻，加强攻击力度，同时五十二军之二十五师从山海关北部山地经义院口、城子峪出长城，占领山海关东面的前所，切断山海关防御部队的退路。
  15日张鹤鸣得知国民党军已偷越城子峪关口到达大毛山，正向山海关侧后迂回。防守九门口的七师第二十团也打来电话说：九门口关隘的东北侧发现国民党军的主力部队在活动。守卫山海关的第七师（张鹤鸣部已编入七师）
  召开了紧急会议。师长杨国夫知道，此时再坚持下去怕就走不了了。于是命令：“由于敌人已经迂回到我后方，坚守山海关已经失去了意义。部队应逐次撤退，脱离山海关战场。以后上级追查擅自撤退的责任，由我负责。”
  16日天亮时，国民党军再次发动猛烈进攻。这时第七师的各路人马正逐次向山海关以东的绥中方向退去。
  山海关保卫战，是抗日战争胜利后国共两党在东北大门口的首次交锋。
  冀热辽军区十九旅和山东军区第七师的部队，在力量悬殊、时间仓促、建制及指挥混乱的情况下，坚守山海关达20余天，迟滞了国民党军向关外进军的速度，掩护了中共进军东北的战略行动和东北人民自治军的战略展开。
  山海关防御战失利后，杨国夫与张鹤鸣率领着疲惫的部队，沿绥中、兴城方向撤退。
  杜聿明则传下命令，荡平东北“匪”患，直指沈阳。石觉亦壮起胆色，紧紧咬住我军，衔尾追击。
  东北人民自治军此时处于混乱之中。林彪是10月中旬到沈阳的，身边既无部队，也无全套的指挥机构。彭真是10月18日到的沈阳，但大量政务使他不可能分心军事工作。罗荣桓11月13日才辗转抵达沈阳。罗荣桓带来了山东军区的指挥机构和精干机关人员，像作战处长李作鹏、情报处长苏静和管理处长何敬之等，但统帅战局的军事机构仍难以运作：健制混乱，指挥程序不顺，指挥员分散各处，加之通讯落后，仗自然很难打。
  11月下旬，黄克诚率新四军三师到达锦州地区，准备在辽西阻击国民党军队的长驱直进。 11 月29日，中央军委致电黄克诚：“关于你部编制、
  干部配备与活动地区和作战意见等，你均可与林彪坦白商谈，并由你与林向中央提出意见解决。“黄克诚接到电报后，便主动与东北局和东北人民自治军联络，发出了一封封电报，却始终得不到回音，弄得黄克诚丈二和尚摸不着头脑。
  数天后才因一个偶然的机会与林彪接上了关系，他这才知道中共中央已命令林彪组织东北人民自治军总部，而林彪的司令部就驻在离黄克诚部不到30华里的地方。第七师撤出山海关的消息中央、东北局都十分关注，纷纷询问情况。林彪答得很干脆：“杨国夫师与我无密本联络，情况不明。”
  林彪面临着困境，与自己指挥的部队联系不上，手中也没有军队，他无法执行中央关于要东北人民自治军在辽西与国民党军决战的指示。
  林彪为执行中央的命令于11月19日从沈阳赶到锦州。
  11月15日，中央军委电示彭真、林彪：“为谨慎使用主力，求于将来决战时，一战解决问题，应令季运昌、杨国夫两部坚守山海关、绥中之线，节节抗击，消耗疲惫敌人，而令黄（克诚）梁（兴初）两部从冷口、界岭口分路隐蔽开至锦州，锦西、兴城三角地区，处于内线，休整部队；俟（国民党军）
  进至绥中地区，或兴城地区业已疲劳消耗至相当程度，我则可集中最大兵力，计黄克诚3.5 万人，梁兴初7000人，杨国夫7000人，李运昌、沙克在盘山、锦州至山海关一带者至少2 万人，共约7 万人，于最有利之时机、地点，由林彪或罗荣桓亲去指挥，举行反攻，分作几次战斗，每次歼灭其二至三个师，最后全部歼灭三个军，则能从战略上解决问题。“
  林彪到达锦州的当天，杜聿明的第十三军便占领了绥中，向兴城推进。
  而此时林彪准备在辽西三角地带与杜聿明决战的主力部队在哪里呢？
  梁兴初率领的山东军区一师，正由冷口出关，11月21日到达锦西。
  黄克诚的新四军三师，因山海关被敌占领，正由承德绕道关外，11月26日到达锦州以西。
  杨国夫的七师撤出山海关后，就让敌人粘住了甩都甩不掉。七师的第二十团，担任殿后任务。为了摆脱国民党军的追击，他们避开公路，沿山里的大道走。然而每当部队进驻一个村镇，不久敌人便会光临，还常常利用拂晓或黄昏进行偷袭，搞得部队不得安宁。后来才知道辽西的一些大村镇，都有电话通往铁路沿线车站或城市，凡有军队过往或发生任何情况，当地的伪政府人员就向上面报告。
  11月22日，国民党军进占兴城、锦西。同日，中央军委电示东北局：国民党第十三、五十二军向锦州急进，希望东北人民自治军集中营口、沈阳主力到锦州方面，协同黄克诚、梁兴初部全力歼敌。处境十分艰难的东北人民自治军无法调营口、沈阳的部队，就连走得快一点的梁兴初部也没有赶上装备精良的国民党军的长驱直入。
  22日是林彪进入东北以来最难熬的一天。一份份失利的电报——兴城失守，锦西失守，锦州告急，他经过长时间的踌躇和缜密思考，终于定下决心，唤来机要秘书，字斟句酌地口授了致中央军委及东北局彭真、罗荣桓的电报：“连日我在兴城锦州一带所见所闻，我部队已参加作战者疲惫涣散，战斗力甚弱。新兵甚多，缺乏训练。梁（兴初）师刚到，黄（克诚）师尚未到，远落敌后。各部皆疲劳，武器弹药不足而未得补充，衣鞋缺乏，吃不惯高粱，缺少用费。