解放战争时期，罗荣桓等领导建立巩固的东北根据地，主持土改斗争。参与指挥辽沈、平津两大战役，与傅作义和谈，为北平的和平解放立下了不朽的功勋。
1945年9月，根据中共中央决定，罗荣桓率领山东主力部队6万余人进军东北。罗荣桓任东北人民自治军(不久改称东北民主联军)副政委，东北人民自治军总司令是林彪。当时，中共中央和东北局的高级干部中，曾就制定作战方针问题，进行了电报往返的讨论，罗荣桓积极提出自己的意见，参与制定并正确执行了东北的作战方针。他于12月13日提出了：“争取控制沿长春路两侧广大地区”，“展开创造根据地工作”的建议。
1946年7月初，他作为东北局常委参与讨论、修改了由陈云起草的统一领导思想、指导东北战争的纲领性文件《东北的形势与任务》，即《七七决议》，随后赴莫斯科治病。
1947年5月，罗荣桓回国后立即投入紧张的工作。此时，林彪专务作战，部队的思想建设、组织建设、后勤建设、动员工作与军工生产等均由罗荣桓分管。
罗荣桓回国不久，即发现第三纵队正在进行以诉苦为主要方式的阶级教育。他指出：“这是一个具有重大意义的创造，解决了当前教育的主要内容和方法问题，是部队政治教育的方向。”他授意政治部起草了关于普遍开展诉苦运动的训令，还授意《东北日报》撰写社论《部队教育的方向》。经过推广和引导，诉苦运动在东北各部队轰轰烈烈地开展起来，极大地提高了广大指战员的阶级觉悟。诉苦和随之而开展的练兵运动大幅度地提高了部队的战斗力，为即将到来的同国民党军的战略决战，准备了一支精锐的大军。1947年9月28日，毛泽东亲自修改向全军批转了第三纵队进行诉苦运动的经验。
与部队开展诉苦运动同时，东北广大农村开展了轰轰烈烈的土改运动。
在土地改革中分得土地的翻身农民为了保卫胜利果实，有着参军的巨大积极性，而战争越打越大，补充和扩大部队已成为部队的急需。因此，罗荣桓建议组建第二线兵团，即动员大批工人和翻身农民入伍，抽调野战军或地方武装的基层干部和老战士作骨干，不经过地方武装逐步升级的阶段，直接编为独立团，实施短期训练后，补充主力部队。1947年7月，东北局作出了成立二线兵团的决定，并分工由罗荣桓主持此项工作。组建二线兵团是人民军队动员工作在新形势下的发展，经过一年工作，二线兵团共有164个团，37万人补充部队，超过东北人民解放军总人数的三分之一。
1946年罗荣桓和夫人林月琴在安东合影。随着部队不断扩大，装备不断改善，战线不断南移，运输线不断延长，后勤工作的战略作用日益突出。对此，罗荣桓给予高度重视。后来，在1961年11月，他曾回忆说：“在东北作战时就有一条经验，打起仗来，一要抓指挥机关，二要抓后勤。这两个部门很重要。指挥机关组织不好，后方东西跟不上，打仗就成问题。”1948年3月，在东北军区召开的后勤部长、卫生部长会议上，罗荣桓作了总结报告，指出：今后战争规模将更大，战线将更长，使用兵力将更加高度集中，即要做到既能攻坚又能野战。根据这些特点，加强后勤工作建设，满足百万大军的武装装备、粮秣和其他物资的需要，有极为重要的意义，他要求加强党的对后勤工作的领导，把政治工作贯彻到各个系统中去，保证各项政策、法令、决议、命令的执行。他要求统一标准、统一制度，反对本位主义，反对浪费人力物力的现象。为了适应今后作战的特点，他提出：以中长路为界，成立东、西线后勤司令部，分别负责部队供应，建议在专区和县成立有党、政、军、民参加的战勤委员会，在运输线和沿途设立兵站，在作战主要方向冀察热辽地区增设野战医院等等。这一切都有力地保障了辽沈决战的后勤供应，它标志着我军作战物资已主要由取之于敌而向主要由组织良好的后勤供应过渡。
随着决战即将来临，加强党的集中统一，反对无纪律无政府的问题更加突出了。1948年7月1日，罗荣桓在庆祝党的诞生的讲话中说：过去分割的环境，给各地以更多的自治权，给各单位以更多的独立处理问题的权力，是有利的；今天是国家规模的环境，需要高度集中统一，而各行其是，就与党和人民的事业不利。中央指出的下列坏现象，例如地方主义，闹独立性、分散性；事先不请示，事后不报告；搞假报告，只说成绩，不说缺点等等，应引起全党同志警惕和纠正。
为了保证大兵团作战能指挥顺畅，在辽沈和平津战役前后，罗荣桓曾多次讲话，反复强调纪律性问题，表扬执行纪律好的部队，同时对有些纵队不请示报告的无组织纪律行为进行反复的严肃的批评教育。
1948年9月12日，辽沈战役开始。9月30日，林彪、罗荣桓、刘亚楼、谭政率东北野战军前线指挥部乘火车南下，于10月2日抵达郑家屯以西。
10月5日，前方指挥所到达锦州西北、距锦州30余里的牤牛屯。
野司召开了军事会议，拟定了总攻锦州和打援的具体作战方案。以第二、第三、第七、第八、第九、炮兵纵队和第六纵队“攻坚老虎”第十七师攻城。由于在北部，解放军所占地势好，利于发扬火力，确定以城北为主要突击重点。阻敌援兵的部队，由第二兵团司令员程子华指挥。部署是：四纵、十一纵及热河两个独立师位于打渔山、塔山和虹螺岘一线，阻击葫芦岛和锦西方向的援敌；热河独八师在山海关地区佯动，牵制关内敌人；五纵、十纵、六纵(缺十七师)、一纵之第三师，位于新民以西和以北地区，阻击由沈阳出援的廖耀湘兵团。一纵(缺第三师)位于锦州和塔山之间的高桥，作为战役总预备队，既可北攻锦州，也可南援塔山。
在葫芦岛这个蒋介石视如救命稻草的弹丸之地，竟部署了9个师的兵力，并且还准备从山东再海运两个师来。这样，阻击部队将以8个师对敌有海空炮火支援的11个师，任务十分艰巨。塔山一线是防线中最敏感的地方，扼守此线是第四纵队。这个部队原是胶东部队，到东北后打了许多胜仗，但像这样死守阵地的硬仗还打得不多。为了打好保证攻击锦州有决定意义的塔山阵地防御战，罗荣桓把作战处长苏静找来，强调顶住就是胜利。
10月10日，苏静抵达四纵，听取了吴克华司令员和莫文骅政委的情况介绍后，发电报告林、罗、刘：四纵对守塔山决心很大，部队急需大量手榴弹，林、罗、刘立即命令从直属部队抽调一部分手榴弹给四纵济急，同时告后方迅速补给。
阻击国民党“东进兵团”的塔山阻击战，连续进行了7天7夜。结果，敌人遗尸6000余具，始终未能前进一步。
塔山阻击战进行到第四天，10月14日，总攻锦州开始。上午10时，炮火准备。几百门大炮同时怒吼，一时间地动山摇，惊心动魄，这是解放军第一次在同一时间同一地点使用如此大量而又密集的炮火。它既标志着解放军的战斗力空前提高，也是对为解放军的炮兵事业作出贡献、不久前在义县牺牲的炮兵司令员朱瑞和成千上万为新中国的建立流尽了鲜血的先烈的最好的悼念。在炮火覆盖下，守军阵地成为一片火海和废墟，攻城部队利用交通壕的掩护，迅速向前运动。11时，各突击队发起冲击，迅速撕开突破口，迂回穿插，分割包围，到15日拂晓，各攻城部队先后在中央大街、白云公园、中央银行、邮局等地会师。残敌退入老城负隅顽抗，解放军乘胜追击，18时，结束战斗。经过31个小时的激战，全歼守敌12万人，生俘东北“剿总”副司令范汉杰以下9万余人。
锦州解放后，向塔山反复进攻的敌人看到援锦无望，只得停止进攻。林彪和罗荣桓将苏静召回牤牛屯，让他汇报四纵扼守塔山的战况。林、罗、刘听完苏静的汇报，都很兴奋，称赞四纵打得很好，胜利之大出乎意料。罗荣桓高兴地说：“塔山这个仗、锦州这个仗，的确带有一定的冒险性。因为打到了敌人真正的要害处，敌人必然要垂死挣扎，集中其一切可能出动的兵力与我决战。我们在历史上还没有打过这么大的仗，任务是光荣而艰苦，胜利是来之不易啊!好在战前部队经过一段较长时间的新式整军运动和大练兵，打了个好基础，它的威力在这次战斗中充分体现出来了。”
锦州一解放，东北敌人全部动摇。在长春，17日，军长曾泽生率第六十军起义。18日，东北“剿总”副总司令郑洞国和新七军军长李鸿，自动放下武器，长春解放，歼敌10万。与此同时，蒋介石再次飞到沈阳，继续策划廖耀湘的“西进兵团”与锦西、葫芦岛的“东进兵团”，东西对进，要重占锦州，并令第五十二军占营口，准备接应东北残敌撤退。
攻克锦州后，毛泽东打算再打锦西、葫芦岛，然后包围沈阳，同时继续南下。但林彪却建议围歼从沈阳出动西援锦州、滞留在漳武一带的廖耀湘兵团10万余人，罗荣桓同意林彪的建议。毛泽东批准这一计划后，罗荣桓授意野战军政治部起草了《全歼东北敌人的政治动员令》，要求各部队树立继续打大胜仗，“一口气吃掉敌人七八个师至十数个师，一次俘虏敌人七八万至十数万”的雄心，争取全歼东北蒋军，解放东北全境。
10月21日，第十纵队和第一纵队第三师转移到黑山、打虎山一线，构筑工事，准备阻击西窜的廖耀湘兵团，同时五纵、六纵由阜新、彰武地区南下，切断廖部退回沈阳之路，以掩护从锦州前线北进的主力部队多路展开，将廖耀湘兵团合围。23日，黑山阻击战打响，揭开了解放军历史上前所未有的大兵团围歼战——辽西会战的序幕。敌军在飞机、大炮掩护下，成营、成团地轮番向黑山猛扑。十纵和一纵三师以与阵地共存亡的决心，英勇顽强，浴血奋战。
25日，从锦州前线赶来的解放军各个纵队完成了对廖耀湘兵团的合围。至28日拂晓，廖兵团10余万人包括新一军、新六军、新三军、第七十一军、第四十九军悉数就歼，廖耀湘被俘，国民党的“五大主力”五丧其二。11月2日，沈阳守军13万余人被歼，沈阳解放。与此同时，收复营口，歼敌1.4万人，还有万余人乘船逃脱。至此，辽沈战役胜利结束，东北全境解放。东北野战军于是成为中国人民革命武装力量的战略预备队，随时待命进关。
辽沈战役尚未结束时，10月29日，毛泽东便致电林彪、罗荣桓，就能否抽调一个纵队先行进关，并征求林罗意见。林彪、罗荣桓等考虑，华北迫切需要增兵，建议派第四纵队、第十一纵队，再加3个独立师、1个骑兵师先行入关。
10月31日，中央军委复电，同意林彪、罗荣桓建议，指示东北野战军除立即入关的先遣部队外，其余部队应休整1个月左右，于12月上中旬再开始出动，攻击平津一带。
11月18日，毛泽东致电林、罗，通报了傅作义有和平解决华北问题的意向，命令东北野战军各纵队以一、二天时间完成出发准备，于21日或22日全军或至少8个纵队取捷径以最快速度行进，突然包围唐山、塘沽、天津三处敌人，不使逃跑，争取使敌军不战而降。并要林彪、罗荣桓等先行出发到冀东指挥。
