1945年10月18日，杜聿明被撤销昆明防守总司令及第五集团军总司令之职后，离开昆明回到重庆。同一天，就发表了任命杜为东北保安司令长官的命令。

杜聿明上任后第四天，蒋介石对杜当面指示，要与苏联接洽，接收东北领土主权。杜经过近十天与苏军联络，发现苏军已宣布自东北撤军， 营口 苏军已经离去，被 东北民主联军 接收。为此，杜便向 蒋建议 ：要接收东北非用武力不能解决。

1945年11月5日，杜急飞重庆向蒋报告，请求迅速抽调兵力，由美舰掩护从 葫芦岛 或营口强行登陆。 秦皇岛 ，率先向东北解放区挑衅，指挥第十三军、第五十二军向榆锦进攻。14日，杜下达向 山海关 进攻的命令，决心在东北民主联军主力部队未到达之前，夺取要点，分兵两路继续向 绥中 追击前进，之后，占领 兴城 、葫芦岛。

杜聿明到锦西后，按原定方针，命令部队向 锦州 攻击。由于东北民主联军有计划地撤退，26日杜率部进入锦州，同日还占领了山海关。

1945年12月16日，国民党政府迫于国内、国际和平建国的舆论，与中共举行和谈。蒋介石一面谈判，一面下令国民党军队向解放区积极进攻。杜接到蒋的指示后，于12月23日命令第五十二军冒雪进占北镇、 黑山 ，然后又分兵两路，分别向 阜新 、营口进攻，占领了 北票 、朝阳、黑水等城。

1946年1月10日，杜又按照蒋的密电，赶在停战令即下前，抢占了 平泉 等重要城市。自发动夺取东北的战役以来，杜聿明多次奔赴前线指挥，日夜不息，疲劳过度，于同年2月18日乘专机飞北平，秘密进入白塔寺中和医院治病。3月16日，动手术割去左肾。4月16日，返回沈阳。

1946年4月28日，在空军掩护下，两个军分两路向本溪攻击。杜聿明在本溪得手后，迅速转而全力策划进攻四平街之战。他先调第一九五师及第八十八师至铁岭，掩护中长路的安全，又令 新六军 迅速集中 辽阳 附近，用火车输送至 开原 ，以击破四平街，一举收复长春、永吉为目的，部署两翼攻击，企图压迫东北民主联军于 辽河 套内而歼灭之。5月14日，国民党在飞机炮火协同下，并始猛攻，经过激烈战斗，东北民主联军实行战略撤退，杜部于1946年5月19日侵入四平。5月23日，国民党军进占长春，至5月31日止，又占领了松花江以南永吉至 农安 之线。杜聿明到东北仅仅半年，就先后侵占了辽西全部及沈阳外围铁岭、抚顺、本溪、辽阳、 鞍山 、 海城 、营口等重点城市，北沿松花江与东北民主联军相对峙。不久，停战期限届满，国共谈判破裂，杜怀着抢夺整个东北的野心，策定了南攻北守的全局作战指导原则，于8月间派副长官郑洞国负责指挥对 热河省 的全面进攻，扫荡热河境内的解放军。10月，又派第五十军进攻 安东 、通化等重要城市。该军第二十五师在暖阳边门被全歼（ 新开岭战役 ）。杜并未从失败中吸取教训，认为这不是战略上的错误，而是个别将领无能，仍坚持既定扫荡方针，向临江进攻，部队再一次遭受沉重打击。至此，东北国民党军开始走下坡路。 ^{1947年5月15日，北满的东北民主联军渡江南下，展开了大规模的夏季攻势。18日，攻占 怀德 。24日，占领四平街外围重要城市。26日，攻入法库。27日，攻入 昌图 。6月15日，开始总攻四平。杜与郑洞国等 高级幕僚 研究了全盘情况，认为本溪的东北民主联军对沈阳威胁甚大，决心以第五十三军为主力进攻扫荡，以固沈阳门户，然后集结可能集结的兵力去解四平之围。根据这一决定，由郑指挥对本溪的攻击，20日攻下。杜又根据电台侦察，中长路以东电台甚多为判断：解放军主力可能在中长路以东的山区，并可能在移动之中。于是，他决定利用这个机会开始攻击，指挥右翼兵团向四平街左翼包围攻击前进，击破东北民主联军后，大胆分头猛进，力求包围消灭东北民主联军；中央兵团由现地发起进攻，击破当面之敌，即迅速追击而歼灭之；左翼兵团协助中央兵团向双山、昌北以北占领阵地之敌右翼包围攻击，击破当面之东北民主联军后，即向 三江口 郑家屯 追击前进。命令下达后，杜部各部队在飞机炮火协同下大举进攻，战斗甚为激烈，直到1947年6月30日 东北民主联军 主动撤退， 四平 之围随之而解。后来，在东北民主联军铁拳锤击下，杜聿明迭遭惨败。他日夜谋划，一筹莫展，以至忧郁成疾，不能亲事，于7月、8日垂头丧气离开东北，到上海医治。}

1948年6月，蒋介石遂任命杜为徐州“剿总”副总司令兼第二兵团司令官。杜上任不久，奉蒋介石命令指挥第二、第十六、第十三兵团去增援济南。同年9月12日，东北野战军发起了 辽沈战役 。10月初，完成了对 锦州 的包围，切断了东北国民党军通往关内的唯一通道。蒋介石为了挽救败局，赶紧将杜聿明调回沈阳。10月15日，杜聿明急忙从徐州飞抵沈阳。次日，锦州便失守。