1948年8月初，根据中央军委决定，中国人民解放军华北军区以第2兵团所属第2纵队（欠第4旅）、第6纵队和原归北岳军区指挥的第1纵队，共5.3万余人，编成华北军区第3兵团，杨成武任司令员，李井泉任政治委员，李天焕任副政治委员兼政治部主任。

1948年9～10月，为策应东北野战军进行辽沈战役，第3兵团在第2兵团配合下出击绥远（今内蒙古中部），解放绥西、绥北地区。11月～1949年1月参加平津战役，在东北野战军第4纵队配合下，全歼张家口突围之敌，后参加包围北平（今北京）。在此期间，根据中央军委关于统一全军编制及部队番号的命令，华北军区第3兵团改称中国人民解放军第20兵团，直属中央军委。兵团主要领导人未变，唐延杰任副司令员兼参谋长，李志民任政治部主任。所辖第1、第2、第6纵队依次改称第66、第67、第68军。