担任兰州战役总指挥的是中国人民解放军副总司令、第一野战军司令员兼政治委员彭德怀同志。
试攻失利我军重新调整战斗部署8月20日，第一野战军部队全部到达指定位置。第二兵团、十九兵团共五个军千里追击抵达兰州城郊，很快形成了对兰州守敌东、南、西三面的扇形包围的态势。20日下午，彭德怀带领部分指挥员到二兵团六军军部驻地九条路口的郜家泉。
鉴于我军对兰州敌军只是三面包围，北面退路黄河铁桥仍然在敌人控制之下，不能排除敌人在我大军压力下突然逃跑的可能性，第一野战军参战部队全部到达兰州外围后，为了防止“青马”西逃，按照8月19日准备提前发起兰州战役的计划，彭德怀下令部队于21日拂晓投入攻击战斗。
这次首攻敌人守军的第一野战军部队有第六十三军、六十五军、六军、四军共九个团的兵力，攻击方向分别为被称为“兰州锁钥”的马家山、营盘岭和沈家岭三大主要阵地。但是，经过两天的顽强激烈战斗，没有攻下一个阵地，我军却遭受了重大伤亡。其中仅六十五军就伤亡近八百人。
发动总攻战况异常惨烈经过几天的充分准备，彭德怀按照预定方案发起兰州战役的总攻。8月25日凌晨6时30分，几百门大炮齐鸣震天动地。各兵团部队在自己预定的战场发起对守敌的攻击。彭德怀站在战斗前沿指挥部队进攻，战斗异常惨烈。
沈家岭是敌人防守兰州的三大阵地之一。担任攻占沈家岭的四军在刚到任的军长张达志的指挥下，打得非常顽强惨烈，是一场地地道道的恶战。担任主攻任务的十一师三十一团在反复打退敌人反扑中，全团只剩下一百多人，张达志沉着指挥，适时调动其他部队支援，经过13个小时的激战，将马步芳守军9000多人击溃，被四军毙伤达3800多人，奠定了兰州战役彻底胜利的基础。
第二兵团第三军第七师攻下七里河后，从26日凌晨1时开始，上午11时结束，经过十多个小时的激战取得了抢占黄河铁桥的胜利，消灭了守桥敌人，阻止了城中溃撤逃跑的残兵败将，为战役的胜利起了关键重要的作用。
此役兰州战场(不含外围)共歼灭号称马步芳精锐的八十二军3个师大部和一二九军2个师各一部，以及3个保安团共计27000余人。其中毙伤12740余人，俘虏14400人，另外敌人泅渡黄河淹死2000余人。第一野战军浴血奋战，共伤亡8700人。当晚，彭德怀与副司令员张宗逊等进驻兰州。兰州于8月26日解放。8月30日，彭德怀决定举行一次隆重的入城仪式。10多万市民拥上街头，载歌载舞欢迎自己的队伍。
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