6月16日，民主联军占领了四平市区中山公园内国民党军的榴弹炮阵地，陈明仁手下两名营长一个被击毙，一名被俘虏，被歼400余人。民主联军已将陈明仁71军指挥部团团围住，前哨阵地距离陈明仁的核心工事只有500米之遥。
6月20日，东北民主联军6纵17师对国民党军第71军军部发起总攻，陈明仁下令用吉普车堵死房门，用粮食袋当沙袋垒作工事，同时严令手持冲锋枪的督战队，凡有后退者扫射打死勿论。自己则坐在核心的地下室里，神情木然，浓眉下的一双眼睛布满血丝。
陈明仁在傍晚时分，民主联军迫近的时候，被卫士们半推半架着离开了军部，转移到路东的预备指挥所。留下他的兄弟——特务团长陈明信坚守。
从周围地堡里传出的喊杀声、爆炸声越来越迫近，陈明信抓起了电话，打给陈明仁，要求撤退。
陈明仁沉吟，咬牙，最终没有同意。因为他知道，核心工事早一分钟失守，就意味着民主联军早一分钟打到他这里，四平城也就早一分钟陷落。
20分钟后，陈明仁的第71军军部被攻陷，陈明信被俘虏。
经3小时激战，四平守敌大部被歼，民主联军总司令林彪特发电报嘉奖:
“17师作战甚好，甚慰。”
陈明仁已经顾不上兄弟的死活了。四平城铁路线以西已全部被民主联军占领，他把残余部队收缩到道东继续顽抗，凭屋死守，死不交枪。四平城内到处是枪炮声，到处是白刃肉搏的场面，两军的尸体堆满了街巷。71军的直属队打光了，陈明仁把身边的卫队都派了上去，孤注一掷。自己也头戴钢盔，手持冲锋枪，在后面督战。陈明仁本人电告杜聿明，要“以身殉国，壮志成仁”，并将一支二号勃郎宁手枪顶上了子弹，装在衣兜里，准备随时自戕。
6月30日，正在战事正酣，陈明仁做困兽之斗的当口，四平前线的枪炮声反而稀疏下来，慢慢地，阵地恢复了平静——出乎陈明仁意料的事发生了，民主联军竟然撤围而去！
后来才知道，撤退的命令是民主联军总司令林彪亲自发出的。这其中，固然有陈明仁拼死抵抗的原因，但更多的是因为国民党另外两支增援四平的生力军——郑洞国的53军和孙立人的新一军——已与民主联军担任打援的部队接上了火，林彪担心拿不下四平，使全军陷于腹背受敌的被动局面，于是主动撤围而去。
事后看来，林彪在四平攻坚战中，显得过分小心谨慎了。
郑洞国和孙立人两人各怀鬼胎，此刻最担心的，不是解不了四平之围，而是担心林彪最擅长的围城打援战术，所以53军和新一军的行动非常谨慎，非常缓慢，几乎是走一步看三步，民主联军完全有足够的时间和兵力给四平守军以最后一击的。
无论怎么说，终于坚持到了最后5分钟的，毕竟是陈明仁，而不是林彪。
此役，陈明仁部下伤亡约17000人，林彪手下亦损失13000余人。
后来，林彪手下的骁将如李天佑等，皆评价陈明仁“是员悍将，是头狮子”。
毛泽东:即使你一人起义，也是成功之举！
辽沈战役前，陈明仁被调到武汉，任华中“剿总”副司令。此时，他受到程潜的影响，倾向和平。陈明仁和程潜是醴陵同乡，还是程潜的学生，所以程、陈两人得以合作。
章世钊先生写信给陈明仁，要他看清局势，认清前途，投靠人民。他在信中还特别引用了毛泽东对陈明仁评价的话──“当年，陈明仁是坐在他(指蒋介石)的船上，各划各的桨，都想划赢，各为其主嘛，我们会谅解他，只要他过来就行了，我们还要重用他。”
