甘肅蘭州是國民黨西北軍政長官公署所在地，也是解放戰爭後期國民黨反動派統治甘肅、寧夏、青海、新疆4省的軍事、政治、經濟中心。從地理位置上看，它東臨陝西，北出寧夏，西通青海、新疆，南下四川，是扼制青海、甘肅河西走廓、新疆及寧夏的交通樞紐。蘭州東、南、北三面依山，黃河從城內穿流而過，地形十分險要。特別是城南之皋蘭山主峰，海拔2129公尺，絕對高度約500公尺，四周峰巒高聳，地形險要，成為蘭州城之屏障，自古以來被認為欲保蘭州，必先鞏固皋蘭山。漢、唐時代就開始在其南側之營盤嶺屯兵駐守，因此山中有"頭營子"、"二營子"、"三營子"等地名。抗日戰爭時期，國民黨政府在皋蘭山修築有堅固的國防工事。1948年夏至1949年8月，為了將各山頭工事互相銜接，解決山上供水，國民黨政府徵用大量軍工、民工，挖填土方達20.69萬立方米，修建了一條長達10.1公里的環山公路。為了阻止解放軍攻城，敵人對原有工事進行改造加固，將外山坡削成兩三丈高的峭壁，峭壁上設有地雷外壕。外壕有兩層，深、寬各兩丈多，又由鐵絲網、鋼筋水泥地堡構成核心工事，各陣地間火力都可以互相支援，還築有一些暗堡和野戰工事。
馬步芳部守衛蘭州的部隊共有5萬多人，在黃河兩岸夾河布防。以其精銳第八十二軍第一九O師據守沈家嶺、狗娃山，第二四八師守衛營盤嶺，第一00師及青海保全第一團固守古城嶺、竇家山、馬家山一線；第一九二軍第一八一師守衛蘭州城東之十里山、東崗鎮和飛機場，第三五七師守衛七里河、十里店；騎八師及各步兵師所屬騎兵團，防守黃河北岸之鹽場堡到河口一線。此時，正值黃河漲水季節，解放軍很難渡河四面包圍敵人。這種天然地形有利於守而不利於攻，為此，敵人吹噓蘭州是攻不破的鐵城。
馬家軍撤退至蘭州以後憑險固守，儘管地形等因素不利於解放軍，攻取蘭州將是一場惡仗，但一野首長希望在蘭州與敵決戰。因為，如果敵軍退守青海老巢或逃竄新疆，將會後患無窮。解放軍要想聚殲敵軍於蘭州城下，其關鍵就在於奪取皋蘭山屏障和控制敵人唯一退路黃河鐵橋。為此，彭德懷司令員布置以第二兵團攻擊營盤嶺、沈家嶺和七里河、一旦得手，即向蘭州西關和南關發展，控制黃河鐵橋和七里河，迅速渡河殲滅北岸之敵。第十九兵團攻占馬家山、古城嶺、竇家山和十里山，得手後向城東發展。由於黃河鐵橋控制在敵手，城內和城北敵軍隨時可能向西逃竄到青海、新疆。8月21日，彭德懷司令員以一野司令部名義發出進攻蘭州的命令。在戰術指示中，彭德懷強調指出：馬步芳部為今日敵軍中最有戰鬥力部隊，對他們需有足夠估計，並作充分精神準備，力戒輕敵驕傲急性。必須仔細偵察、精密計畫、充分準備。在作戰方式上要求集中優勢兵力、火力、技術於一點，一個一個山頭、房舍、陣地，逐次殲滅敵人。不攻則已，攻必奏效。21日，第二兵團4個團和第十九兵團9個團，同時向古城嶺、沈家嶺、狗娃山、營盤嶺各敵軍陣地攻擊。
由於解放軍在西北戰場不斷取得勝利，特別是進人甘肅後馬家軍未作大的抵抗，因此，指戰員中出現一些輕敵思想。一些部隊在未作充分準備情況下倉促進攻，有些指戰員唯恐敵人跑掉，不研究地形，不察明敵人兵力火力部署，不帶爆破器材和炸藥，只是猛衝。儘管部隊打得十分頑強，進行多次肉搏，殺傷大量敵人，但未能奪取主陣地，解放軍傷亡也很大。面對這種情況，彭德懷當機立斷，下令停止攻擊，以3天時間認真總結經驗，偵察敵情，調整部署，為再次進攻做準備。
8月23日，中央軍委針對蘭州作戰形勢，指示第一野戰軍："馬步芳既決心守蘭州，有利於我軍殲滅該敵。為殲滅該敵起見，似須集中三個兵團全力於攻蘭戰役。王震兵團從上游渡河後似宜迂迴於蘭州後方，即切斷蘭州通青海及通新疆的路，並參加攻擊，而主要是切斷通新疆的路，務不使馬步芳退至新疆為害無窮。攻擊前似須有一星期或更多時間使部隊恢復疲勞，詳細偵察敵情地形和鼓動士氣，作充分的戰鬥準備。並須準備一次打不開而用二次三次攻擊去殲滅馬敵和攻占蘭州。"彭德懷及一野首長，根據中央指示認真調整部署，並構想了可能出現的最困難情況。此時，部隊雖在恢復中，後勤供應也有不少困難，但是，考慮到馬步芳既已決心守蘭，則可能調動寧夏等兵力增援蘭州，那將增加攻城困難。24日，彭德懷電告毛澤東：寧馬出動了3個軍，經黃河左岸增援蘭州的可能性很大，如兩馬集結蘭州，加上周嘉彬、黃祖勛兩部，共有13萬兵守城，我軍即使集中3個兵團短期內亦不易攻占。同時，運輸工具少，糧食、彈藥都不能得到充分接濟。故決定乘馬鴻透未到前先解決青馬主力。目前攻城已有七八成把握，決定25日晨開始攻擊。中央同意了這個意見。
8月23日、24日，一野攻城各軍認真進行了大戰前的準備工作，部隊進行了深入的政治動員，認真總結了經驗教訓；各級領導深入前沿，仔細偵察地形，反覆研究進攻路線和作戰方案，進行沙盤作業，發揚軍事民主，群策群力，研究攻敵戰術方案；動員一切人力物力，運送彈藥器材。這幾日，蘭州適逢下雨，戰士們冒雨修築工事，從事近迫作業，為發動新的進攻創造條件。
在解放軍積極準備攻城之時，敵人內部矛盾更為尖銳。馬步芳對馬鴻逵、胡宗南兩部按兵不動，使自己孤軍困守蘭州十分不滿。8月23日，第一兵團占領臨夏之舉更是出乎馬步芳意料，除急調騎兵軍加強西寧防守外，特派馬驥急飛寧夏，向馬鴻逵求援。24日，又以十萬火急電告國民黨中央政府："竄洮河西岸臨夏附近之共軍第一軍、第二軍刻正向永靖、循化進犯，患在腹心，情況萬急！如陝署、寧夏友軍及空軍再不迅速行動協殲，深恐蘭州、西寧均將震動。千鈞一髮，迫不及待！務請火速分催，不再遲延！"馬步芳此時已料及前景不妙，便於24日乘飛機逃離蘭州，去西寧老家，後又飛往重慶。
8月25日拂曉，各部隊向蘭州守敵發起總攻。解放軍以第十九兵團第六十三軍一部進攻十里山，並在響水子沿河警戒，第六十五軍及第六十三軍一部進攻馬家山敵第一00師陣地，待殲滅後再向東關發展，第二兵團第六軍進攻營盤嶺敵第二四八師陣地，再向南關發展，第四軍進攻沈家嶺敵第一九O師陣地，再向西關發展，第三軍一部沿黃河南岸東進，準備奪取黃河鐵橋。
沈家嶺是敵人固守蘭州的主陣地之一，被稱為"蘭州鎖鑰"，解放軍若能奪下沈家嶺，就等於打開解放蘭州的大門，可以直搗西關，控制黃河鐵橋，截斷敵人西逃的唯一道路。沈家嶺地形呈蜂腰狀，南北系高地，中間是一段狹窄的腰現，雙方圍繞這段腰現展開激烈爭奪。
擔任主攻沈家嶺任務的是曾在扶鄖戰役中榮立戰功的第四軍第十一師第三十一團。戰鬥打響後，第三十一團團長王學禮指揮第二營首先發起攻擊，命令第一營隨後跟進。戰士們僅用10多分鐘，便突破了敵人第一道防線，接著，又用成束的手榴彈投向敵群，迅速占領了敵第二道防線。這時，敵軍一面用強大火力遏制解放軍後續部隊，一面集中兵力發動反撲，企圖乘解放軍立足未穩，把解放軍壓下山去。雙方在腰峴一帶展開了激烈的拼殺爭奪，敵我傷亡都很嚴重，第三十一團副團長負重傷。緊急情況下，王學禮將預備隊第三營也投人了戰鬥，後來在第三十三團的配合下，第三十一團打退了敵人多次反攻，占領了敵沈家嶺核心工事。此時，第三十一團已傷亡很大，全團不足300人，更為嚴重的是彈藥已經不多。他們重新配備火力，搶修工事，以頑強的戰鬥精神，與衝上陣地的敵軍展開白刃戰，多次打垮了反撲的敵人。中午，第四軍第十師第三十團開入沈家嶺與第三十一團並肩作戰，打退敵人多次反撲。下午5時，敵人又糾集殘餘兵力進行最後一次反撲，並從北塔山向沈家嶺進行炮擊。敵我雙方交織在一起，戰鬥極為慘烈，激戰中第三十團政委李錫貴不幸陣亡。後來，敵軍漸漸不支，開始動搖，丟下大片屍體潮水一般向山下潰退。下午6時，四軍占領沈家嶺。但第三十一團團長王學禮卻在最後時刻不幸犧牲。此時四軍第十師也占領了沈家嶺以西的狗娃山陣地。總攻沈家嶺戰鬥歷時13小時，殲敵9000餘人，其中斃傷敵3800餘人。"我軍亦付出了很大代價，傷亡達三千多人，其中團級幹部十三人。"①
營盤嶺和皋蘭山，是敵人布防的三大主陣地之一，從這裡向北望去，蘭州城就在山腳下。敵以第二四八師駐守這裡，築有堅固工事，山上遍布明碉暗堡，山前有長約2000米的一大片毫無屏障的被敵軍火力封鎖的開闊地，極不利於部隊進攻。主攻營盤嶺的是第二兵團第六軍。
第六軍以第十七師第五十團為突擊隊，主攻該嶺正南敵陣地；以第十六師第四十六團主攻敵軍東南陣地。並以42門山野炮及迫擊炮組成強大炮兵群，集中火力，猛轟敵人主陣地，摧毀敵火力，掩護突擊隊進攻總攻開始後，第六軍的大炮、輕重機槍紛紛向敵人猛烈開火，突入敵陣地的戰土們和敵軍展開拚死搏鬥，子彈打光了，就拚刺刀，刺刀拚彎了，就赤手空拳和敵人廝打。有些連隊僅剩下10多人，幾次命令後撤都不退下，堅持戰鬥在火線上。戰鬥英雄陳全魁，把兩個手榴彈捆在一起，連續投出30多對，殺傷大批反撲的敵軍，雖自己身負重傷，但堅持不下火線。當部隊進攻到第一道峭壁時，爆破組受掩體中敵人的阻擊，無法靠近，第七連指導員曹德榮，這時已經身負重傷，抱起一炸藥包撲向敵人，炸開敵人的掩體，為部隊開闢了前進道路，為蘭州解放貢獻出年輕的生命。13時，第六軍占領營盤嶺主陣地。
竇家山、古城嶺、馬家山地勢險峻，是蘭州的東大門。敵人修築了堅固的防禦工事，憑險據守。解放軍第十九兵團第六十三軍第一八九師擔任對竇家山的主攻，第五六六團為主攻團。經過艱苦的戰鬥，12時半，三連占領了敵人一處陣地，打開攻占竇家山的口子，第六十三軍擴大戰果，占領敵人3處陣地。敵軍急忙調集機動兵力進行反撲，組織敢死隊、督戰隊、執法隊，並用欺騙手法，頌經宣誓，重金收買等，促使敵軍官兵與解放軍死戰。13時，約有1個團的敵軍手持大刀，袒胸露臂，向解放軍陣地反撲。在解放軍猛烈打擊下，敵人一層層倒下，但在督戰隊驅趕和威逼下，仍不停地湧向第六十三軍陣地。戰士們和敵人展開肉搏，連續打退了6次大的反撲，敵軍不得不敗退而走。
馬步芳逃離蘭州時，曾一再叮嚀其子馬繼援，如寧馬和胡宗南都不來援助，空軍又無希望，則應保存實力，向青海撤退。馬繼援本想憑險頑抗，爭取時間，等待援兵，但激戰到中午時分，各主要陣地相繼失守，城內機動兵力又很有限，眼看蘭州不保，向西撤退之路又隨時可能被解放軍切斷，因而失去堅守蘭州的信心。下午2時，馬繼援與在西寧的馬步芳用隱語聯繫後，立即召集師以上軍官會議，決定從下午7時黃昏前全線撤退。具體部署是：由第一九O師負責掩護，第一00師、第二四八師、第一八一師、第三五七師、第一九O師依次每隔2小時，經黃河鐵橋北撤。第八十二軍之第二00、第二四八、第一九O師等，沿甘新公路經永登向西南，到青海的大同、門源地區集中，第一二九軍的第一八一、第三五七師及騎八旅、騎四旅，由甘青公路，經河口、享堂到青海湟中、海晏縣一帶集中；西北軍政長官公署及附屬機構、憲警部隊及防守景泰、靖遠之敵第九十一軍、第一二O軍等，向河西走廊撤退。
當日黃昏，已運動至金天觀一帶的第二兵團第（）軍七師發現敵軍撤退跡象，一面報告上級，一面組織追擊。該師第十九團直插黃河鐵橋，進行阻擊，很快控制了黃河鐵橋，切斷敵人唯一的退路。接著，第七師各團相繼攻人城內，消滅殘敵。從南山撤入城內的敵人，此時還不知黃河鐵橋已被解放軍控制，紛紛向橋邊湧來。當即遭到解放軍守橋部隊猛烈火力封鎖，橋頭敵屍堆積如山，被打壞的汽車、軍用物資燃起大火，敵人亂成一團。有些軍官不顧士兵死活，強令泅渡黃河，結果被打死、淹死者不計其數。26日中午，解放軍占領黃河北岸的北塔山，城內殘敵全部被殲，蘭州宣告解放。
蘭州一戰，第一野戰軍共殲滅馬步芳部主力第一00師、第二四八師、青海保全第一團、甘肅保全第一團、第四團全部；第一九O師、第一八一師、第三五七師大部。戰役實施期間，共殲敵2.7萬餘人，取得重大勝利。
8月26日，第一野戰軍司令員彭德懷，副司令員張宗遜及政治部主任甘泗淇等進駐蘭州。同時，成立了蘭州軍事管制委員會，張宗遜任主任，張德生、吳鴻賓、韓練成、任謙為副主任。已於7月28日在定西成立的中共甘肅省委也進駐蘭州。
8月30日，蘭州舉行盛大的入城式，解放軍從東稍門進入城區。戰士們精神抖擻，隊伍整齊。走在最前面的是步兵，隨後是各種炮兵、摩托化步兵、高射炮部隊、坦克兵等。蘭州市的工人、市民、商人、學生各界人士，夾道熱烈歡迎解放軍，藏族同胞向解放軍敬獻了哈達。市民們載歌載舞，歡慶自己的解放。
在蘭州戰役期間，一野留置於天水地區的第七軍，與駐寶雞地區之第十八兵團第六十軍、第六十一軍挫敗了敵人的反攻企圖，保障了西進大軍的後方安全；留置於固原、海原一帶的第十九兵團六十四軍，積極開展活動，有力地鉗制了"寧馬集團"，使其組織的援蘭兵團不能南下援蘭，保障了蘭州戰役的勝利。
蘭州戰役是中國人民解放軍與國民黨軍事力量在西北戰場上的戰略決戰。蘭州戰役的勝利，殲滅了國民黨在西北賴以維護其統治的軍事支柱馬步芳集團，給敵以十分沉重的打擊，大大震懾了西北地區試圖頑抗的國民黨殘餘勢力，使他們看到了覆滅的下場，迫使大批敵軍起義投誠，為第一野戰軍進軍和解放西北各省鋪平了道路。正如毛澤東所預言的那樣，第一野戰軍在蘭州取得了殲滅青馬主力的勝利之後，就基本土解決了西北問題。往後占領甘、寧、青、新，基本上只是走路和接管的問題了。蘭州戰役的勝利對全國戰局也產生了重要影響，打破了國民黨當局企圖憑藉西北、西南建立反共基地的最後幻想 。
