一九四五年九月，中央批準陳伯鈞去東北前方工作。十月十八日，他率八百名干部及部分戰士、家屬共一千三百余人由延安出發，經過長途跋涉，十一月下旬到達承德。因去東北的火車不通，中央改令，將這批干部留冀熱遼分配工作。陳伯鈞安排好這批干部，然后參加打遵化、保衛熱河戰役。

一九四六年一月上、中旬，陳伯鈞在冀熱遼軍區，協助指揮冀東部隊在玉田、遵化、平泉一帶作戰。一月十九日，葉英來電要他到北平軍調處工作，后來委派他擔任熱河執行小組中共代表。

二月下旬，駐平泉附近的國民黨十三軍第五師向桲羅樹我軍陣地猛烈射擊，第四師又占我方大石橋、小寺溝車姑等地。為此，三月一日，陳伯鈞等三人小組前往沖突地點，在黨壩訂立了臨時協議。國民黨方面接受了我方提出的“第四師及進占小寺溝車站一帶之頑軍完全撤退回平泉原陣地”的要求。

當時，斗爭尖銳復雜。國民黨代表岳昌瀛無理狡辯,還我方破壞停戰協定。他們明明向我方進攻，卻說是“猛烈突圍”。陳伯鈞據理駁斥，寫了書面材料，并繪制地圖，報北平軍調處執行部。這份材料用大量事實說明，破壞停戰協定、進軍熱河、引起一切沖突的，正是國民黨。

三月十七日，國民黨的《華北日報》訛載承德執行小組記者招待會的內容，有意污蔑我軍。陳伯鈞立即去訪美方代表，當面核實，證明《華北日報》和中央社記者均未參加招待會，所載消息全屬捏造。他據實辟謠，有力地回擊了國民黨的挑釁。一九四六年六月，園民黨發動全面內戰，整個軍調處執行部的工作無法開展。上級調陳伯鈞去東北前線。八月初，在哈爾濱，經陳云談定，分配他到軍政大學任教育長。

東北軍大前身是延安抗大。一九四六年底搬到通化市才改現名。陳伯鈞在校期間，經常給學員們做報告，講課，在校刊上發表文章，工作做得很出色。

一九四七年五月，陳伯鈞任合口軍區司令員。這時正值東北解放軍進行夏季攻勢、準備秋季攻勢，由內線作戰轉為外線作戰的重要時刻。他深入基層，發動群眾，組織了大批翻身農民參軍，擴充了地方武裝，籌集了大批作戰物資，為以后東北戰場的勝利做出了貢獻。

一九四七年八月，為了統一高級干部的作戰思想，陳伯鈞又調東北野戰軍總部直接領導的上干大隊任大隊長。

一九四八年五月下旬，又調他到東北野戰軍前方指揮所工作。同年八月下旬，他返哈爾濱，見林彪、羅榮桓，得知中央命令將前線指揮所改為第一兵團司令部，肖勁光任司令，他任副句令。九月初，他到長春郊區四家子兵團司令部。

長春守敵有國民黨一個兵團部、兩個軍、六個師，約十萬人。九月十日，東北野戰軍根據中央軍委和毛澤東《關于遼沈戰役的作戰方針》，確定了作戰部署:以五個縱隊對付沈陽敵人，一個縱隊及九個獨立師包圍長春之敵，阻止敵人突圍。十月十五日，長春守敵曾澤生派人到興隆山接治起等指揮所部向長春急進，以掩護曾澤生部起義并威通新七軍投降。

由于東北解放大軍兵臨城下，圍城達四個月之久，加上我軍迅速攻克錦州的勝利。十月十五日，新七軍被迫投降，長春戰役勝利結束。中央當即來電嘉勉:“對六十軍及新七軍之分別處理辦法得當。甚慰。”

十月下旬，陳伯鈞等指揮所部分頭南下，集結昌圖、開原、通江口之線，以策應主力在彰武、新立屯、黑山、北鎮間之大會戰。后因黑山敵人已被我軍主力包圍,沈陽敵人可能逃跑，陳伯鈞等又組織各師向沈陽急進。三十日，陳伯鈞等指揮獨十師攻占撫順，獨六師攻占本溪。十一月二日，我軍占領沈陽，東北全境解放。

十一月十九日展，陳伯鈞接東總轉來毛澤東電報，要求部隊早點入關，抓住敵人。二十一日夜，陳伯鈞和肖勁光到沈陽，東總交待給他們的任務是:迅速地、秘密地把部隊開進關內，切斷敵人的一字長蛇陣，堵住敵人，不準敵人逃走。東總還委托他們負責指揮進關的先頭部隊。二十四日，陳伯鈞等率部離沈陽向關內進軍。八十萬大軍，十萬騾馬，成群結隊的各種大炮和車輛，洪流滾滾，奔向華北。陳伯鈞和兵團部隨五、六縱隊走北路，經喜峰口出遵化。接著，又從二十六日開始，夜行曉宿，迎著寒風雨雪，越過河岔、夾溝、山道，于三十日半夜到達馬相營，參加平津戰役。

十一月九日，陳伯鈞等到達三河縣北的王莊子。這時，敵人企圖打通平綏路，以保持其向西回審的退路。總部決定由肖勁光、陳伯鉤指揮三縱、五縱插劍沙河、南1、呂平間，阻擊懷來敵人，并牽制敵九十四軍的行動。當陳伯鈞趕到五縱駐地楊各莊商討部署時，懷來敵人已向南突圍，敵九十二、九十四兩個軍縮回北平。于是，總部又命令陳伯鈞等指揮三、六、十縱隊，隔斷平津之敵，堵擊北平敵人南逃。

陳伯鈞等按毛澤東“圍而不打，隔而不國”的指示，朝著平、津兩面修筑工事，待機殲敵。幾天后，華北七縱隊也撥歸陳伯鉤等指揮。十七日，五縱兩個師通近北平西城權，繳獲幾十輛坦克。十八日，三縱七師占南苑機場，繳獲四十余架飛機及一批高射炮。二十一日，聶榮臻來兵團部談北平守敵情況。二十五日，總部電令肖勁光、陳伯鈞等指揮一、三、六、十、十一等五個縱隊，打突圍之敵，并要回電提出部署意見。

陳伯鈞等研究決定放棄南苑機場及馬駒橋一帶，以吸引敵人進入我袋形陣地而后圍殲之。次日，總部批準了此項部署。陳伯鈞連夜起草命令、打電話，通知各部隊按照新部署迅速移動。十二月三十日晚，總部發出命令，分兵包圍北平和準備攻擊天津。當夜，總部來電，一九四九年一月十四日，總攻天津，一兵團嚴密監視北平之敵，防其逃跑。

天津戰役結束后，東北野戰軍和華北野戰軍共九十萬大軍，兵臨北平城下，將傅作義二十余萬守敵團團圍住。由于我軍堅決執行中央軍委指示，對北平進行了長時間的嚴密包圍，給外圍敵人以沉重打擊，并發動了政治攻勢，最后傅作義接受了和平改編。陳伯鈞等負責改編傅部的四兵團。

二月三日，人民解放軍舉行了轟動世界的北平入城儀式。當陳伯鈞站在正陽門城樓上，目睹浩浩蕩蕩的人民軍隊行列和歡騰的人群時，感慨萬千。經過二十二年的武裝斗爭，中國新民主主義革命終于在中國共產黨的領導下勝利了。