一九四九年八月二十日，我兵團與許光達同志率領的第二兵團會師於蘭州城郊，從東、西、南三麵包圍了蘭州。
部隊一到達集結位置，我們立刻上山去察看地形。這蘭州城北瀕黃河，三面依山，地勢果然十分險要。環抱蘭垣之皋蘭山峰巒高聳，成為該城之天然屏障。山上有國民黨軍隊在抗日戰爭時期修築的永久性國防工事，解放戰爭中又不斷加固。主要陣地築有鋼筋水泥碉堡群，通向城裡的環山公路與各主要陣地相連接。對外有一至二道削壁，高約六米至十米，削壁腰部設有暗藏的側身機槍掩體，削壁外面挖有幾道外壕，寬深均為三米到五米，各壕間又有暗堡和野戰工事，並有交通溝和暗道相通。陣地前還敷設鐵絲網，並密布地雷群。敵人為此把蘭州吹噓為“攻不破的鐵城”。
敵人依托強固工事，既利於發揚火力，又便於組織反撲；而我軍從下向上仰攻，不但溝壕難越，削壁難攀，且兵力不便運動和展開。北望黃河巨流，傍城依山滾滾東去，雨季水大流急，濁浪濤濤。敵人夾河而陣，我軍很難渡河四面圍攻敵人。我軍要全殲守敵，關鍵是奪取蘭州主要屏障——南山，控制敵人唯一退路——黃河鐵橋。
根據彭總的部署，二兵團的任務是進攻營盤嶺、沈家嶺和七里河，然後向蘭州城西關和南關發展進攻，並以一部沿黃河南岸東進奪取黃河鐵橋，一部從七里河地區相機北渡黃河，殲滅北岸之敵。我十九兵團的任務是，沿西蘭公路首先攻占路南之馬架山、古城嶺、豆家山和路北之十里山，然後向蘭州城東關發展進攻。看過地形以後，我們選定豬嘴嶺作為兵團指揮所，從這裡可以清楚地看見敵人的陣地。
國民黨反動政府為了通過蘭州決戰，實現其在大陸保住一塊反革命基地的計劃，不惜挖肉補瘡，派飛機連日向蘭州運送軍事物資。胡宗南掏出最後的血本，調集四個軍於徽縣、成縣、兩當及川陝公路，準備配合青馬襲擊我後方。寧馬也深知蘭州戰役的成敗將決定自己的命運，集結主力，擺出支援青馬的姿態，企待有利時機出兵攻擊我側後。青馬更把蘭州決戰看成是自己生死存亡的關鍵，馬步芳參加國民黨中央政府召集的西北聯防會議後，於八月十九日從廣州乘飛機匆匆趕回蘭州，親自部署一切。敵人以其戰鬥力最強的第八十二軍和第一二九軍兩個主力軍等部，共五萬人據守蘭州；以第九十一軍、第一二零軍、第八十一軍共兩萬餘人為左翼，于靖遠、景泰沿黃河及打拉池地區防禦；以新成立的騎兵軍共兩萬人為右翼，控制臨洮、洮沙地區。青馬妄圖依托蘭州外圍的強固工事挫我銳氣後，以寧馬和胡宗南部攻我側背，用正面抗擊和兩翼包抄之戰術，殲滅我軍於蘭州外圍。同時，青馬還急調駐新疆部隊增援蘭州，並一再致電國民黨中央政府：“要求空軍於會戰期間，逐日派強大機群參加助戰”。
當然，上述情況是在後來才完全弄清楚的。當時，我軍深入敵人腹地，新區黨的工作基礎薄弱，缺乏內線，而馬步芳又狡猾多變，精確地掌握敵人的動態作出正確的判斷，是很不容易的。我軍接近蘭州的時候，得到的是兩種互相矛盾的情報：一是敵九十一軍和一二零軍已從蘭州北撤，擬隨偽甘肅省政府退到酒泉，大批物資正由蘭州運往西寧，蘭州之敵正準備炸毀工廠，拆除電線，破壞黃河鐵橋；一是蔣介石反動集團日有數架飛機運送彈藥到蘭州，青馬正搶運糧食和磨盤進城，其八十二軍主力在蘭州加修工事，寧馬準備以六個師出擊，支援蘭州之敵。根據這互相矛盾的情報可以作出兩種截然相反的判斷。彭總經過仔細分析，認為敵人在蘭州的處境已不同於平涼，敵人在蘭州決戰的計劃不會像平涼那樣不決而撤，而且我軍也必須盡一切努力迫使敵人決戰於蘭州，同時應當把情況估計得更嚴重些，把困難考慮得更多些，以此為立腳點，從各方面作好充分的準備。
我軍一包圍蘭州，彭總即於八月二十一日，打電報給率領一兵團從左翼迂迴青海的王震同志，指出：青馬現決心固守蘭州，我左兵團進占臨夏后，可能動搖其固守決心，但也可能促其不顧一切決心死守，甚至放棄西寧，撤守大通河東岸及享堂、新城、湟水北岸，保障向河西的退路。在我軍攻蘭州六、七大不得手時，寧馬主力就可能乘機增援蘭州。青、寧二馬有汽車兩千輛以上，要充分估計到寧馬主力車運蘭州的可能性。如果出現這種情況，二兵團即可迂迴蘭州北部，我軍將集中三個兵團於蘭州會戰。同日，彭總還以第一野戰軍司令部名義發出進攻蘭州的戰術指示，強調指出：“青馬為今日敵軍中最有戰鬥力的部隊，在全國也是有數的頑敵，我們對他須有足夠的估計，並作充分的精神準備，力戒輕敵驕傲急性”。指示中要求各部：“進攻時需仔細偵察，精密計劃，充分準備”，“須集中優勢兵力、火力、技術於一點，一個一個山頭、房舍、陣地，逐次地殲滅敵人。不攻則已，攻必奏效”。 “進攻中，須充分準備殲滅敵人反沖鋒部隊，組織消滅敵反沖鋒的火力，構築抗擊反沖鋒的工事”。 “密切步炮協同。砲兵須反复精細地偵察敵人兵力、火力的具體配備，組織良好的戰場觀察，切忌盲目的射擊。須知優勢的砲火，在頑強的敵人面前，並不是萬能的。”“對敵人外壕、陡壁的克服，須用挖對溝、改造地形來接近，用炸藥來破壞。因彈藥運輸困難，砲擊是輔助的”。
同時，鑑於我軍對蘭州敵軍只是三麵包圍，北面退路黃河鐵橋仍在敵人控制之下，仍然不能排除敵人在我大軍壓力下突然逃跑的可能性。因此、彭總又決定以九個團的兵力，於八月二十一日對敵人陣地進行一次試攻。其中，我兵團由六十五軍和六十三軍用五個團攻擊豆家山、古城嶺和十里山。這次攻擊準備非常不足，就倉促投入戰鬥，同時在千里追擊中，敵人不戰而逃，指戰員中輕敵思想有了新的滋長；有些指揮員唯恐敵人跑掉，不看地形，不察明敵人兵力火力的部署，沒帶爆破器材和炸藥，更沒有組織步炮協同，一上陣地就帶領部隊向敵人猛衝；有個連隊甚至還沒有弄清攻擊目標就急急忙忙往上沖；有個團長在敵情不明的情況下竟說：“給我兩個鐘頭，保證完成任務！”
經過二十一日、二十二日兩天的攻擊，部隊打得非常勇敢頑強，並多次和敵人肉搏，雖然給敵人以很大殺傷，但卻沒有奪得敵人一個陣地，自己的傷亡也很大。二兵團以四個團的兵力向敵人試攻，也未奏效。彭總根據這種情況，果斷地下令停止攻擊，迅速進行陣地總結：按二十一日的戰術指示做好準備後再發動總攻。這次試攻雖然受挫，但是卻摸清了敵人的部署和決心，了解到敵八十二軍三個戰鬥力最強的主力師分別固守在敵防禦體系中的馬架山、營盤嶺、沈家嶺三個主陣地，敵一二九軍及其他部隊分別防守東西兩翼各陣地及黃河北岸，背靠黃河天險，重點控制南山，分兵把守，城中再無預備隊。更重要的是以血的教訓使部隊認清了輕敵思想的危害，頭腦清醒地全力狠抓向敵人發動總攻的準備工作。
八月二十三日，彭總來到兵團指揮所。我和楊得志因前兩天仗沒打好，心情很沉重，準備挨一頓批評，便主動對彭總檢討說：“十九兵團部隊在歷史上還從來沒有遇到過這樣的情況：攻敵人的幾個陣地，兩天沒拿下一個。軍、師、團的干部都很憋氣，急於要繼續打，非出這口氣不可。毛主席一再指示我們：千萬不可輕視二馬，否則必致吃虧。現在果然吃了輕敵的虧。我們雖然經常給自己敲警鐘，並一再教育部隊，克服輕敵思想，但是最近對部隊的教育放鬆了，輕敵思想又有所抬頭。這次仗沒有打好，責任主要在我們兵團領導人身上。”出乎我們意料之外，彭總沒有發火，他冷靜地對我們說：“部隊試攻受阻，其主要原因是輕敵，次要原因是敵工事堅固，敵人頑強。這次試攻是我決定的，時間倉促，部隊準備不夠。不過，通過試攻，也達到了了解敵人的目的。你們要告訴部隊沉住氣，總結經驗教訓，仔細研究敵人，紮紮實實的做好準備工作，待命向敵人發動總攻。”
彭總告訴我們：王震同志率領下的我軍左翼的第一兵團前進的速度很快，已於二十二日占領了臨夏，現在暫時停止前進，以部分兵力進占永靖，控制黃河，斬斷蘭州和西寧的聯繫，準備隨時堵擊截擊敵人。彭總分析了我軍佔領臨夏后可能引起的幾種情況的變化和我軍應有的對策：
第一種情況，是使蘭州守敵增加了對其西寧老巢的顧慮，因而分兵防守，重點仍放在蘭州。這樣，有利於我攻取蘭州，打下蘭州後再抽部分兵力協助一兵團攻取西寧。
第二種情況，是敵人棄西寧而全力固守蘭州，這種可能性很小；或者以新騎六軍及西寧警衛部隊（一個師）守西寧，這種可能性很大。在這種情況下，我一兵團暫時不宜孤軍深入去佔領西寧。假如我軍同時攻蘭州、西寧而都受阻，寧馬主力就可能乘我軍遠出疲勞之際出擊我側背，現天氣漸冷，冬衣送不到，必會使我軍遭到很大困難；即使我軍佔領西寧，而蘭州未攻下，也因兵力分散，仍有此種顧慮。
第三種情況，如果青馬放棄蘭州而退西寧，二兵團即跟踪追擊，一兵團則不失時機的堵擊截擊敵人，在享堂東西百里地區把青馬主力消滅，然後再取西寧。第四種情況，如果我軍攻蘭州無效，而寧馬主力又增援到蘭州，敵人兵力加強，我再打蘭州困難時，我軍則可暫不急於攻蘭州取西寧，而以一兩個月的時間，著重做好新解放區的地方工作，建立地方工作基礎，爭取時間休整主力部隊，解決糧食困難，運集充足的彈藥，並開展對敵政治攻勢，積極創造條件，然後再打蘭州。當然，這種情況應當盡量避免，因此決定調三邊地方軍五個團加強六十四軍，六十四軍要全力阻擊寧馬，使其不能來援蘭州。我們聽了彭總的分析，對於彭總考慮問題的全面周到，對困難作充分估計和毛主席來電精神完全保持一致，深受啟發和教育，當即向彭總表示：六十四軍全軍上下鬥志高昂，在固原和海原又繳獲了敵人四十多萬發子彈，並有兩個月的儲糧，糧彈充足，工事也不斷加強，他們有信心完成阻擊寧馬的任務，再加上五個團的支援，那就更有把握了。至於攻打蘭州，現在已經摸清了敵人的陣地情況和兵力部署，只要有一兩天的準備，大家有把握把敵人的陣地拿下來。
蘭州戰役前後的十幾天內，彭總幾乎每天都向軍委和毛主席報告前線情況，並多次得到了毛主席的指示。
八月二十三日，毛主席指示：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，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道路並參加攻擊，而主要是切斷通新疆的道路，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、地形和鼓舞士氣，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。彭總遵照毛主席指示立即調整了部署，並設想了可能出現的最困難的情況，於二十四日報告毛主席：決以三個兵團打蘭州，王震兵團從蘭州上游迂迴蘭北。寧馬出動三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、黃祖勳兩部，共有十三萬兵據守堅城，我軍即使集中三個兵團短期內亦不易攻占，同時糧食很困難，運輸線長，運輸工具少，彈藥都不能得到充分接濟，運糧更不可能。故決定乘馬鴻逵未到前圍攻蘭州，求得先解決青馬主力。現二兵團和十九兵團攻城準備工作已妥，疲勞尚未恢復，糧食不足，油、菜更難解決，青馬不斷反襲，故很難得到休息。以現在準備工作看，攻城已有七、八成把握，故決定在二十五日晨開始攻擊。如果未解決青馬，而寧馬援軍迫近時，即以四個軍圍困蘭州，集結五個軍打寧馬。毛主席接到彭總報告後，二十六日電複彭總，指出：如你們二十五日攻蘭州得手，則局面起了變化。如不得手，則為偵察性質的作戰，全軍將因此種流了血的偵察戰獲得有益的教訓，而確定了再戰的勝利。如二十五日不得手而寧馬來援，則請照你們二十四日電的決心，確定先打援、後攻城。
經過二十三日、二十四日兩天的準備，部隊深入進行了政治動員，認真檢討了經驗教訓，仔細地偵察地形，反复地摸清道路，進行了沙盤作業，開展了軍事民主，發動群眾研究攻擊敵人的戰術，組織力量挖交通溝改造了地形，並動員一切人力、畜力和交通工具運送物資器材。這些準備工作是在克服了重重困難，爭分奪秒、夜以繼日地努力中完成的。二十四日，下了一整天雨，整個大地籠罩在雲霧和濛濛細雨之中，這倒便利於我軍進行準備工作，可是大家都希望這種陰雨天氣不要持續下去，以免影響我軍的總攻。到了夜晚，果然雨停雲散，天空異常清澈透明，真是天公作美，給了我們這樣一個好天氣。大家開玩笑說：“馬步芳作惡多端，激起了天怒人怨，老天爺也來幫助我們消滅他了。”
二十五日拂曉，我軍向蘭州發起總攻。在猛烈炮火的掩護下，步兵勇猛地沖向敵人的陣地。經過激烈的搏鬥，二兵團第四軍首先攻占了沈家嶺主陣地上的中、下狗娃山。下午十七時，第六軍攻克了南山最高峰營盤嶺主陣地三營子。在我兵團範圍內，第六十三軍之一八九師於十六時攻占敵主陣地豆家山，第六十五軍之一九三師於當晚攻占古城嶺、馬架山。戰鬥中，敵軍指揮官用機槍和大刀督戰，連續向我發動反沖擊。我軍攻占敵人每一道壕溝、每一道峭壁和每一個陣地，都經過了艱苦的戰鬥和反复的爭奪，並多次拼刺刀，同敵人肉搏。
坐鎮蘭州的馬步芳得知我一兵團佔領臨夏的消息以後，因完全出乎其意料之外，頓時驚恐萬狀，深感後方空虛，西寧老巢危急，遂急令騎兵第八旅和數個騎兵團竄回青海，增強西寧防禦。同時，對馬鴻逵、胡宗南按兵不動，使自己孤軍困守蘭州極為不滿。八月二十三日，特派馬驥急飛寧夏求援。八月二十四日又以十萬火急電國民黨中央政府：“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。千鈞一發，迫不及待！務請火速分催，不再遲延。”
當日，馬步芳自蘭州乘飛機倉惶逃回西寧，又於二十五日從西寧逃重慶。逃離蘭州時，馬步芳叮囑其兒子馬繼援：如馬鴻逵、胡宗南及空軍再不來援，即保存實力，撤守青海。二十五日我軍向蘭州發起總攻後，蘭州敵軍總指揮馬繼授仍夢想以拼死堅守挫敗我軍的進攻，爭取時間，等待寧馬、胡宗南和空軍出動。當日下午，據守蘭州城郊的敵軍主力傷亡慘重，陣地相繼失守，城中又沒有預備部隊，等待寧馬、胡宗南和空軍來援無望，隨即對堅守蘭州失去信心，又深恐我軍向西寧乘虛而入，剿其老巢，斷其退路，於是慌張地決定撤出蘭州，退至黃河北岸，重新部署部隊。十六時，敵西北軍政長官公署和各部隊開始向黃河北岸撤退。青馬的主力大都在陣地上，因怕我軍發覺，不得不利用天黑夜暗，秘密撤走。由於敵人在危急情況下才被迫倉促決定撤退，因而一開始就陷入一片混亂。
當夜，我軍繼續向敵人發動攻擊時，發覺敵人逃走，立即發起追擊。二兵團之第三軍首先攻入城內，和敵軍展開巷戰。一部向黃河鐵橋猛撲，消滅了頑抗的敵人，奪取了黃河鐵橋，截斷了敵人的唯一退路。撤出南山的敵軍主力正在城裡集中，當即被我殲滅。此時，第六軍也已攻入城內，我兵團之六十三軍、六十五軍追擊二十餘里，直插東稍門，消滅殘敵。到二十六日十二時，我軍已佔領城內外各要點，把敵人全部肅清，並越過黃河鐵橋，佔領白塔山，蘭州宣告解放。
經黃河鐵橋狼狽逃竄的敵人，只顧各自逃命，騎兵、步兵攪在一起，人馬、車輛爭相奪路，被車壓死、被馬踩死、被人擠死和落水淹死者不計其數。我控制黃河鐵橋後，青馬指揮官不顧士兵的死活，強令泅渡黃河，又使無數人葬身魚腹。僥倖逃走的敵軍，失魂落魄地向青海狂奔。下級軍官和士兵紛紛攜槍帶馬各自潰散，竄回青海的已是有官無兵、寥寥無幾了。
在蘭州決戰中，寧馬和胡宗南都在心急如焚地期待著青馬挫我銳氣，然後乘機向我側後出擊，妄想取得決戰的勝利。直到八月二十四日，寧馬仍然集中主力，蠢蠢欲動。青馬主力在蘭州戰役中覆沒，終於使他們的希望徹底破滅了。寧馬主力害怕被殲，急忙逃回寧夏中寧、中衛老巢。胡宗南在青馬主力被殲後，於八月二十七日出兵寶雞與隴南，佯作支援姿態，遭我十八兵團側擊，大敗而逃。國民黨空軍在蘭州解放後的第五天——八月三十日，我軍舉行隆重的入城式，蘭州全市人民歡欣鼓舞慶祝解放的時候，終於派來兩架飛機飛臨蘭州上空，在我軍高射砲的猛烈射擊下，轉了兩圈就倉惶逃跑了。這就是在青馬一再乞求下所得到援助。
解放蘭州，殲滅了西北地區敵軍中戰鬥力最強的青馬主力，宣告了西北戰場決戰的勝利。從此，西北地區的敵人已喪失了組織任何戰役的能力，而我軍則可以縱橫自如，橫掃殘敵。正如毛主席所預料的那樣，西北戰場再也沒有嚴重的戰鬥，我軍繼續完成解放整個西北的任務，基本上只是走路和接管的問題了。