47年初，北滿解放軍渡松花江南下，威逼長春、永吉。至3、4月間，南滿東北民主聯軍乘國民黨軍隊主力北上增援之際，大舉向梅河口、海龍、新賓、柳河等主要據點進攻，幷包圍通化。
鄭洞國親至撫順營盤指揮所，星夜檄調新6軍和13軍前往救援，在付出重大代價後始解通化之圍。僅過一個多月，北滿東北民主聯軍再度渡江南下，發起夏季攻勢，重創國民黨軍隊，並佔領了法庫、昌圖，以十幾萬兵力圍攻四平街。
南滿東北民主聯軍也同時出擊，繼殲滅梅河口國民黨軍隊一個師後，又攻佔了重鎮本溪。東北戰局如此迅速惡化，使蔣介石大爲震驚，親自飛赴瀋陽視察，指示國民黨軍隊放棄一些城鎮，收縮兵力，以圖固守。
6月中旬，作爲前敵總指揮，鄭洞國奉命指揮53軍先攻取本溪，解除東北民主聯軍對瀋陽的威脅，然後轉至鐵嶺，率新6軍、93軍、53軍及52軍一部北上馳援四平街。經過半個月的惡戰，擊退東北民主聯軍主力，四平街之圍遂解，國民黨在東北的戰局才暫時緩解下來。
47年7月，杜聿明因舊病復發，被迫離職去上海就醫，由鄭洞國代理司令長官職務。8月，陳誠來到東北，接替熊式輝任東北行轅主任。他到任不久就撤銷了東北保安司令長官部，集東北黨政軍大權於一身。鄭改任東北行轅副主任，其實等於掛名。
47年10月以後，東北解放軍先後發起秋季攻勢和冬季攻勢，由於陳誠優柔寡斷，朝令夕改，國民黨軍隊大批有生力量被殲，北寧路交通被切斷，國民黨在東北的戰局再次急轉直下。
蔣介石聞訊大驚，於1948年1月10日飛抵瀋陽，召開軍事會議，決定成立東北“剿匪”總部，任命衛立煌爲東北行轅副主任兼“剿總”總司令，同時任命鄭洞國和範漢傑爲副總司令。不久，陳誠悄然離開東北，東北行轅隨即也就撤銷了。
48年2月，東北解放軍相繼攻佔遼陽、鞍山、法庫、營口等重要城市，3月中旬再克戰略重鎮四平街。爲避免被解放軍各個擊破，在四平街戰局吃緊時，衛立煌派鄭洞國先後飛往長春、永吉，部署、指揮駐永吉的60軍向長春撤退。
此後，國民黨軍隊在東北僅剩下瀋陽、長春、錦州三大孤立據點及周圍少數中心城市，處境岌岌可危。爲使幾十萬國民黨軍隊在東北免遭覆沒，鄭洞國曾建議再進一步主動放棄長春，集中主力於瀋陽、錦州之間，以期能戰、能守、能退。
但蔣、衛認爲棄守長春會造成不利的國際影響，況且固守在長春尚可扯住解放軍南下的衣襟，減輕瀋陽、錦州方面的軍事壓力，所以沒有采納鄭的意見。
非但如此，蔣、衛還擬讓鄭兼任第1兵團司令官和吉林省主席，擔負固守長春的任務。此時長春已經在解放軍的四面包圍之中，鄭洞國的許多幕僚、好友都勸他不要從命，鄭自己心中也頗躊躇。
3月下旬，在蔣、衛一再催促下，他只好飛赴長春，從此開始了他一生中最爲痛苦的一段時光。
當時長春駐有新7軍、60軍及第1兵團直屬部隊、地方保安部隊等約十萬之衆，市民亦有50萬人。守軍除尚控制着城外飛機場外，與外界聯繫均被切斷，城內糧食、燃料匱乏，人心渙散，士氣低落，處境艱難。鄭洞國到任後，銳意整頓防務，安定人心，希望能憑藉長春的堅固城防，長期固守下去。
5月下旬，他曾出動部分部隊向城外出擊，準備在城郊蒐購一些糧食。解放軍乘機反擊。結果守軍不僅兵力受到很大損失，連飛機場也丟失了。此後10萬解放軍在肖勁光指揮下攻城也被擊退，遂改強攻爲長圍，城中餓死民衆數萬，軍隊中因飢餓患浮腫症、夜盲症的官兵也日益增多。
48年9月中旬，東北解放軍發起聲勢浩大的遼瀋戰役，鄭洞國乘解放軍主力南下圍攻錦州之機，曾集中兩個師兵力作試探性突圍，但遭到解放軍圍城部隊的頑強阻擊，被迫縮回城內。
10月中旬，解放軍攻克錦州，切斷了東北國民黨軍隊通往關內的咽喉要道，在長春、瀋陽等地的幾十萬國民黨軍隊頓成甕中之鱉。在錦州被解放軍攻克前後，蔣介石曾幾次嚴令鄭洞國率部向瀋陽突圍，但因守軍長期飢餓，體力虛弱，士氣亦極低落，鄭部下將領皆無突圍信心，故突圍之議幾次擱淺。
10月16日，鄭洞國下決心執行蔣的突圍命令，召集部屬制定了突圍計劃，決定在第二天拂曉行動。但當天夜裡，曾澤生率60軍宣佈起義，打亂了鄭的部署，突圍被迫中止。此時鄭洞國雖然對突圍已徹底絕望，卻仍決心爲“黨國”效忠到底，拒絕瞭解放軍方面要其停止抵抗的要求。
他仍率特務團死守中央銀行大樓，還親筆寫下與蔣介石的訣別書。然而他部下的官兵們卻不願再爲腐敗的國民黨政權做殉葬品了。
19日上午，新7軍全體官兵宣佈放下武器。21日凌晨，據守長春中央銀行大樓的兵團直屬部隊以突圍爲名挾持鄭洞國亦放下了武器投誠，長春獲得瞭解放。
50年，他去上海治病路過北京時，受到周恩來總理的接見，6月舉家遷往北京，任水利部參事和全國政協文史專員。
1954年9月，在第一屆全國人民代表大會第一次會議上，毛**主席親自提議他爲國防委員會委員，受到毛**主席的親切接見和家宴招待。鄭洞國是全國政協第三、四屆委員，第五、六、七屆常委，黃埔同學會副會長;自1979年起任中國國民黨革命委員會副主席。
他不顧年老多病，不辭辛勞，努力工作，爲民革的建設和發展投入了大量心力。他非常關心祖國的統一大業，真誠希望海峽兩岸能夠早日實現和平統一。他多次接待從臺灣和海外來的故舊袍澤，耐心地向他們介紹情況，解釋政策，並呼籲他們響應祖國的召喚，爲統一祖國、振興中華的歷史偉業而共同努力。
一直到晚年，他還堅持參加各種政治和社會活動，爲國家的改革和建設積極建言獻策，爲實現祖國和平統一而不遺餘力，奮鬥到生命的最後一息。
1991年1月27日，鄭洞國病逝於北京，享年88歲。2月26日，他的遺體告別儀式在北京八寶山公墓禮堂舉行。幾乎與此同時，在海峽彼岸，也舉行了鄭洞國追悼儀式。在數百名黃埔系的將領中，他是三個同被兩岸追悼的將領中的一位（另兩位是趙繼統和杜聿明將軍）。