1945年10月18日，杜聿明被撤銷昆明防守總司令及第五集團軍總司令之職後，離開昆明回到重慶。同一天，就發表了任命杜為東北保安司令長官的命令。

杜聿明與蔣介石

杜聿明上任後第四天，蔣介石對杜當面指示，要與蘇聯接洽，接收東北領土主權。杜經過近十天與蘇軍聯絡，發現蘇軍已宣佈自東北撤軍，營口蘇軍已經離去，被東北民主聯軍接收。為此，杜便向蔣建議：要接收東北非用武力不能解決。

1945年11月5日，杜急飛重慶向蔣報告，請求迅速抽調兵力，由美艦掩護從葫蘆島或營口強行登陸秦皇島。率先向東北解放區挑釁，指揮第十三軍、第五十二軍向榆錦進攻。14日，杜下達向山海關進攻的命令，決心在東北民主聯軍主力部隊未到達之前，奪取要點，分兵兩路繼續向綏中追擊前進，之後，佔領興城、錦西、葫蘆島三個要點。

杜聿明到錦西后，按原定方針，命令部隊向錦州攻擊。由於東北民主聯軍有計劃地撤退，26日杜率部進入錦州，同日還佔領了山海關。

1945年12月16日，國民黨政府迫於國內、國際和平建國的輿論，與中共舉行和談。蔣介石一面談判，一面下令國民黨軍隊向解放區積極進攻。杜接到蔣的指示後，於12月23日命令第五十二軍冒雪進佔北鎮、黑山，然後又分兵兩路，分別向阜新、營口進攻，佔領了北票、朝陽、黑水等城。

1946年1月10日，杜又按照蔣的密電，趕在停戰令即下前，搶佔了平泉等重要城市。自發動奪取東北的戰役以來，杜聿明多次奔赴前線指揮，日夜不息，疲勞過度，於同年2月18日乘專機飛北平，祕密進入白塔寺中和醫院治病。3月16日，動手術割去左腎。4月16日，返回瀋陽。

1946年4月28日，在空軍掩護下，兩個軍分兩路向本溪攻擊。杜聿明在本溪得手後，迅速轉而全力策劃進攻四平街之戰。他先調第一九五師及第八十八師至鐵嶺，掩護中長路的安全，又令新六軍迅速集中遼陽附近，用火車輸送至開原，以擊破四平街，一舉收復長春、永吉為目的，部署兩翼攻擊，企圖壓迫東北民主聯軍於遼河套內而殲滅之。5月14日，國民黨在飛機炮火協同下，並始猛攻，經過激烈戰鬥，東北民主聯軍實行戰略撤退，杜部於1946年5月19日侵入四平。5月23日，國民黨軍進佔長春，至5月31日止，又佔領了松花江以南永吉至農安之線。杜聿明到東北僅僅半年，就先後侵佔了遼西全部及瀋陽外圍鐵嶺、撫順、本溪、遼陽、鞍山、海城、營口等重點城市，北沿松花江與東北民主聯軍相對峙。不久，停戰期限屆滿，國共談判破裂，杜懷著搶奪整個東北的野心，策定了南攻北守的全域性作戰指導原則，於8月間派副長官鄭洞國負責指揮對熱河省的全面進攻，掃蕩熱河境內的共軍。10月，又派第五十軍進攻安東、通化等重要城市。該軍第二十五師在暖陽邊門被全殲（新開嶺戰役）。杜並未從失敗中吸取教訓，認為這不是戰略上的錯誤，而是個別將領無能，仍堅持既定掃蕩方針，向臨江進攻，部隊再一次遭受沉重打擊。至此，東北國民黨軍開始走下坡路。

1947年5月15日，北滿的東北民主聯軍渡江南下，展開了大規模的夏季攻勢。18日，攻佔懷德。24日，佔領四平街外圍重要城市。26日，攻入法庫。27日，攻入昌圖。6月15日，開始總攻四平。杜與鄭洞國等高階幕僚研究了全盤情況，認為本溪的東北民主聯軍對瀋陽威脅甚大，決心以第五十三軍為主力進攻掃蕩，以固瀋陽門戶，然後集結可能集結的兵力去解四平之圍。根據這一決定，由鄭指揮對本溪的攻擊，20日攻下。杜又根據電臺偵察，中長路以東電臺甚多為判斷：共軍主力可能在中長路以東的山區，並可能在移動之中。於是，他決定利用這個機會開始攻擊，指揮右翼兵團向四平街左翼包圍攻擊前進，擊破東北民主聯軍後，大膽分頭猛進，力求包圍消滅東北民主聯軍；中央兵團由現地發起進攻，擊破當面之敵，即迅速追擊而殲滅之；左翼兵團協助中央兵團向雙山、昌北以北佔領陣地之敵右翼包圍攻擊，擊破當面之東北民主聯軍後，即向三江口鄭家屯追擊前進。命令下達後，杜部各部隊在飛機炮火協同下大舉進攻，戰鬥甚為激烈，直到1947年6月30日東北民主聯軍主動撤退，四平之圍隨之而解。後來，在東北民主聯軍鐵拳錘擊下，杜聿明迭遭慘敗。他日夜謀劃，一籌莫展，以至憂鬱成疾，不能親事，於7月、8日垂頭喪氣離開東北，到上海醫治。

1948年6月，蔣介石遂任命杜為徐州“剿總”副總司令兼第二兵團司令官。杜上任不久，奉蔣介石命令指揮第二、第十六、第十三兵團去增援濟南。同年9月12日，東北野戰軍發起了遼瀋戰役。10月初，完成了對錦州的包圍，切斷了東北國民黨軍通往關內的唯一通道。蔣介石為了挽救敗局，趕緊將杜聿明調回瀋陽。10月15日，杜聿明急忙從徐州飛抵瀋陽。次日，錦州便失守。