1947年5月，第八军改为整编第八师，李弥任师长，他为了扩充实力，将初到山东时收编的伪军和地主武装改编为独立旅、独立团。7月，国军发动了“南麻战役”，李弥率该部六个团在临朐阻击解放军时被包围。陈毅代表解放军三次派人送去劝告信，促李弥认清形势，弃暗投明，他拒不作答。这次战役，整编第八师伤亡五千余人。
蒋介石为了嘉奖李弥和整编第八师的忠诚，派国民政府国防部新闻局局长邓文仪到山东慰劳，授李弥青天白日勋章。李弥被蒋介石召见后满意地说：“这回算是通了天了。”解放军由战略防御转为战略进攻后，蒋介石被迫改为重点进攻，把主力部队集中于陕北和山东两个战场。9月，整编第八师配合第二十五师、第五十四师从烟台、潍县再犯胶东。李弥沿线设防，兵力分散，在昌邑、掖县又被解放军消灭两个团。11月，整编第八师扩编为整编第八军(兵团级)，李弥任军长。
1948年，解放军粉碎了国民党军的重点进攻，蒋介石不得不调整部署。7月，整编第八军开往徐州，李弥升为第十三兵团司令。同年秋，解放战争进入了战略决战阶段。11月6日，淮海战役开始。这天，解放军在徐州以东的新安镇、碾庄地区，将黄伯韬的第七兵团包围。邱清泉兵团和李弥兵团奉命从徐州向东，分别沿陇海铁路南北侧推进，前往解围，掩护黄伯韬兵团向徐州靠拢。
李弥指挥第八，第九两军在太平庄、麻谷子和大庙山、石灰窑等地，与解放军的阻援部队展开激战。他以第八军一个师的兵力，在飞机、大炮、战车的配合下，向麻谷子连续冲击三天，该村成为一片火海。李弥以为解放军不是被炸死就是被烧死，对部属说：“只要搜索一下就可占领了。”可是当李部向村庄接近时，又为解放军的火力所阻。李弥大惑不解地说：“他们是人不是神，钢铁都要溶化，为什么能这样顽强呢?”由于解放军英勇的阻击，邱、李两兵团进展相当迟缓。李弥对掩护黄兵团突围失去信心，经常大叫：“该死，该死！完了，完了！”黄伯韬兵团待援落空，全军覆没，淮海战役第一阶段即告结束。黄伯韬兵团覆没，陇海铁路被切断，解放军逼近徐州。
1948年11月下旬，淮海战役第二阶段开始了。李弥兵团留守徐州，邱清泉团和孙元良的第十六兵团向南推进，企图与在宿县等地的李延年的第六兵团，黄维的第十二兵团南北夹击解放军，打通退路。此着失败后，徐州“剿总”副总司令杜聿明奉命放弃徐州，率领邱，李，孙三兵团西逃，然后向南于涡阳、蒙城集结。担负断后的李兵团为摆脱解放军的打击，放弃掩护任务，不与杜聿明联系，抢先赶至涡阳、蒙城。12月初，邱，李两兵团被围于永城东北。孙兵团于突围中，全部被歼。同月中旬，黄兵团在宿县双堆集覆灭。
邱，李两兵团在永城东北陈官庄等地被围困后，企图按照蒋介石的指令突围。国军空军为了配合地面部队的行动，决定施放窒息性和催泪性毒气弹。不料从1948年12月中旬开始，大雪连降十天，突围失去配合，空投军粮被迫停止，士兵忍饥挨饿，饥寒交迫。李弥却拒绝陈毅的书信劝降，追查并杀害了带信的国军的排长，枪毙丢失阵地的团长，下令射杀向解放军投诚的官兵。
1949月1月9日，第八军的第四十一师，即原来的“荣誉第一师”投诚，这使李弥大失所望。然而就在这时，李弥仍镇静地说：“个人命运不好，我不相信国家命运也不好。共军有什么了不起，美国开一个军来就解决问题。”以此自我安慰。10日，邱、李两兵团的阵地被解放军全面突破，李弥躲在周楼的掩蔽部里，示意所部第九军第三师长周藩出去投降。解放军要周楼的主要军官出去报到，其余官兵放下武器，集合投降。李弥不愿出去，放声大哭，对周藩等人边哭边说：“我不能死呀!我死不得呀!我若能回去，对你们的家属，我一定要照顾的。你们都可以放心!”李弥在周藩等人离开掩体后，换上负伤士兵衣服，乘混乱之机溜走了。
李弥从淮海战场逃脱后，自徐州、济南，经青岛南下。蒋介石在浙江奉化召见他，决定重建第十三兵团，仍任李弥为司令并兼第八军军长。李弥兵团虽恢复了建制，但实力大不如前，所辖八、九两军，每军只两个师的编制，且武器破旧，人员不足。李弥获准在闽西、江西补充兵员，然后开往湖南。入湘前，第九军军部和该军的一师已调离该部。在衡阳，李兵团改称第六编练司令部(预备兵团，兵员仅三个师)，李为司令。不久该部奉命直开云南。
1949年6月，李弥经广州到达昆明，云南地方政府不表欢迎，只得改移重庆。蒋介石认为云南省政府主席卢汉非自己的嫡系，不听招呼。为控制云南，以便在大陆上作最后斗争，他又令第六编练司令部及所属第八军开入云南。
9月，李弥率部经泸州移驻云南的沾益、曲靖等地，原驻滇东南余程万的第二十六军，拨归第六编练司令部指挥。李弥在奉化被蒋介石召见时，得到明确的密嘱：“云南政局不稳，卢汉不可靠。西南是反攻的最后根据地。云南地位很重要，要保住通往缅甸的路线。你到云南任职后，把第八军带回昆明，时机成熟就改组卢汉政府，给你当省席。”该编练司令部副司令袁鸿逵(袁恩锡子、何应钦义子、李弥的干哥)听李弥转述蒋介石的这番密嘱后说：败局已定，士无斗志。西南抵不住，小小的—个云南也不堪一击，短命的省主席有何干头。又说：“在云南只能同卢汉合作，开诚相见，不要动干戈，这是上策。”李弥点头称是，暂不作赶卢汉下台的布置，并通过安排卢汉的下属为第六编练司令部的副司令、参谋长、副军长的办法取悦卢汉。对省参议会的议长们，李弥也频繁接触，尽力游说，力图取得支持。为了贯彻蒋介石控制滇缅通道的口谕，李弥作了不少逃往滇西的谁备。他公然宜称自己同共产党水火不相容，“就是打到野人山，也要与共产党周旋到底。”
1949年12月9日，卢汉及其军政人员率部起义，李弥等国军将领在昆明被扣。为了争取在滇的国军参加起义，云南人民临时军政委员会安排李弥等人为委员。蒋介石对云南的和平起义非常气愤，一面任命李弥为云南省政府主席，余程万为云南绥靖公署主任，一面命令第八军，二十六军围攻昆明，并多次派飞机轰炸。为解除国军对昆明的围困，卢汉拟将李弥；余程万放回。李、佘也表示出城后，愿说服进攻昆明的国军向中共投诚。但李弥离昆后，即与陆军副总司令兼参谋长汤尧商议，将部队撒到滇甫的开远，蒙目一带，准备重整jūn_duì，卷土重来。
1950年1月，李弥奉召去台湾。不久，李弥所指挥的第八军，第二十六军除少部分逃缅外，大部被歼于境内。