一九四七年初，北滿解放軍渡松花江南下，威逼長春、永吉。至三月至四月間，南滿東北民主聯軍乘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，並包圍通化。鄭洞國親至撫順營盤指揮所，星夜檄調新六軍和第十三軍前往救援，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，重創軍隊，並占領了法庫、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，繼殲滅梅河口軍隊一個師後，又攻占了重鎮本溪。東北戰局如此迅速惡化，使蔣介石大為震驚，親自飛赴沈陽視察，指示軍隊放棄一些城鎮，收縮兵力，以圖固守。六月中旬，作為前敵總指揮，鄭洞國奉命指揮第五十三軍先攻取本溪，解除東北民主聯軍對沈陽的威脅，然後轉至鐵嶺，率新六軍、第九十三軍、第五十三軍及第五十二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，在東北的戰局才暫時緩解下來。
一九四七年七月，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。八月，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。一九四七年十月以後，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，軍隊大批有生力量被殲，北寧路交通被切斷，在東北的戰局再次急轉直下。蔣介石聞訊大驚，於一九四八年一月十日飛抵沈陽，召開軍事會議，決定成立東北「剿匪」總部，任命衛立煌為東北行轅副主任兼「剿總」總司令，同時任命鄭洞國和范漢傑為副總司令。不久，陳誠悄然離開東北，東北行轅隨即也就撤銷了。
一九四八年二月，東北解放軍相繼攻占遼陽、鞍山、法庫、營口等重要城市，三月中旬再克戰略重鎮四平街。為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、指揮駐永吉的第六十軍向長春撤退。此後，軍隊在東北僅剩下沈陽、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。為使幾十萬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，集中主力於沈陽、錦州之間，以期能戰、能守、能退。但蔣、衛認為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，減輕沈陽、錦州方面的軍事壓力，所以沒有采納鄭的意見。非但如此，蔣、衛還擬讓鄭兼任第一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。三月下旬，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為痛苦的一段時光。
當時長春駐有新七軍、第六十軍及第一兵團直屬部隊、地方保安部隊等約十萬之眾，市民亦有近二十萬人。守軍除尚控制著城外飛機場外，與外界聯系均被切斷，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，希望能憑借長春的堅固城防，長期固守下去。五月下旬，他曾出動部分部隊向城外出擊，准備在城郊搜購一些糧食。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。此後十萬解放軍在肖勁光指揮下攻城也被擊退，遂改強攻為長圍，城中餓死民眾數萬，軍隊中因飢餓患浮腫症、夜盲症的官兵也日益增多。
一九四八年九月中旬，東北解放軍發起聲勢浩大的遼沈戰役，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。十月中旬，解放軍攻克錦州，切斷了東北軍隊通往關內的咽喉要道，在長春、沈陽等地的幾十萬軍隊頓成瓮中之鱉。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沈陽突圍，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。十月十六日，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。但當天夜里，曾澤生率第六十軍宣布起義，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，卻仍決心為「黨國」效忠到底，拒絕了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為腐敗的政權做殉葬品了。十九日上午，新七軍全體官兵宣布放下武器。二十一日凌晨，據守長春中央銀行大樓的兵團直屬部隊以突圍為名挾持鄭洞國亦放下了武器投誠，長春獲得了解放。
毛主席主席為起草致東北局的電文中指出：「鄭洞國為黃埔高級軍官，此次又率部投降」，「應給以禮遇」。一九五零年，他去上海治病路過北京時，受到周恩來總理的接見，肖勁光和肖華兩位將軍勸他出來工作，他以不願與故舊兵戎相見為借口而拒絕。他目睹人民政府管理上海的井然有序、生機勃勃、蒸蒸日上、安居樂業的情景，受到深刻教育，後來在自傳上寫道：「在事實面前，我真是嘆服了。」一九五二年春節後，他到北京，坦誠地向周恩來匯報了自己對中國的新認識，表示願意參加新中國的建設事業，受到周恩來的嘉勉。六月舉家遷往北京，任水利部參事和全國政協文史專員。一九五四年九月，在第一屆全國人民代表大會第一次會議上，毛主席主席親自提議他為國防委員會委員，受到毛主席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；自一九七九年起任中國革命委員會副主席。
一九九一年一月二十七日，這位穿過了東征北伐的槍林彈雨，走過了古北口、台兒庄、昆侖關、緬北等征戰之途，跨越了孤城死亡之線而獲得新生的一代名將，走完了他人生的最後旅程……二月二十六日，鄭洞國遺體告別儀式在北京八寶山公墓禮堂舉行。靈堂擺放著前國家主席李先念、前全國政協主席鄧穎超、老帥聶榮臻以及王首道、劉瀾濤、肖克、程子華、習仲勛等領導人送的花圈。安詳地躺在鮮花翠柏叢中的鄭洞國，接受中共中央政治局常委宋平、國防部長秦基偉、中共政治局委員丁關根、全國副委員長雷潔瓊等黨和國家領導人以及民革中央、黃埔同學會、中央部、中國和平統一促進會、各民主黨派、全國工商聯等單位和死者生前好友千余人的虔誠告別。新華社北京二月二十六日對海內外發布的電訊，給予鄭洞國的一生以高度評價。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，他是兩個同被兩岸追悼的將領中的一位。ro