1949年5月，國民黨政權(quán)任命馬步芳為西北軍政長官，使其成為西北國民黨軍的最高指揮官，其子馬繼援指揮馬家軍主力第八十二軍等精銳部隊。

此時，國民黨當(dāng)局寄望于馬家軍依托蘭州、黃河等天然屏障，阻止解放軍西進，保住西北并作為反攻基地。馬步芳、馬繼援父子判斷，蘭州是西北交通樞紐與軍事重鎮(zhèn)，南靠皋蘭山系，北臨黃河天險，易守難攻，若在此構(gòu)建堅固防御體系，可將蘭州打造成“攻不破的鐵城”，迫使解放軍攻堅受挫，進而扭轉(zhuǎn)西北戰(zhàn)局。

1949年7月，第一野戰(zhàn)軍在陜西關(guān)中地區(qū)發(fā)起扶眉戰(zhàn)役，殲滅國民黨胡宗南主力4萬余人，徹底打破胡、馬聯(lián)軍的防御體系。戰(zhàn)役結(jié)束后，第一野戰(zhàn)軍司令員兼政治委員彭德懷果斷決策，主力部隊不做休整，迅速沿隴海鐵路向西追擊，兵鋒直指甘肅蘭州，拉開了蘭州戰(zhàn)役的序幕。

蘭州坐落于黃河上游河谷地帶，是西北的交通、政治、軍事中心，也是連接陜西、青海、寧夏、新疆的咽喉要地。其地理格局呈現(xiàn)“南山為屏、黃河為障”的特點：城南的沈家?guī)X、狗娃山、營盤嶺、竇家山等高地，構(gòu)成蘭州外圍天然防御前沿，居高臨下可控制全城；城北黃河穿城而過，唯一的交通通道是黃河鐵橋（中山橋），既是城內(nèi)守軍北撤青海、寧夏的唯一通道，也是解放軍切斷敵軍退路的重要節(jié)點。

馬步芳集團將蘭州防御的重心放在城南山地，依托抗日戰(zhàn)爭時期遺留的工事，加修鋼筋水泥碉堡、野戰(zhàn)塹壕、地雷區(qū)、鐵絲網(wǎng)、暗火力點，形成多層環(huán)形防御體系。馬家軍在蘭州地區(qū)投入總兵力約5萬人，包括第八十二軍、第一二九軍等精銳主力，部署如下：以馬繼援指揮的第八十二軍扼守沈家?guī)X、營盤嶺、竇家山等核心高地，這是馬家軍戰(zhàn)斗力最強的部隊；第一二九軍及地方保安部隊負(fù)責(zé)城區(qū)防御與黃河鐵橋守備；部分騎兵部隊部署于黃河北岸，負(fù)責(zé)警戒與機動支援。

馬家軍打算依托南山高地消耗解放軍有生力量，憑借黃河天險保障退路，若陣地失守，可通過黃河鐵橋快速北撤，保存主力退守青海。為強化防御，馬家軍對陣地進行逐段加固，各高地之間形成火力交叉，前沿布設(shè)大量地雷與障礙物，同時組織敢死隊，準(zhǔn)備以白刃戰(zhàn)、反沖擊阻止解放軍突破。

此時的蘭州，已被馬家軍打造成一個縱深大、火力密、工事堅的防御堡壘，成為第一野戰(zhàn)軍西進路上必須拔除的硬釘子。

第一野戰(zhàn)軍在扶眉戰(zhàn)役后，下轄第1、第2、第18、第19四個兵團，總兵力占絕對優(yōu)勢。針對蘭州的地理特點與馬家軍的部署，彭德懷與野戰(zhàn)軍指揮部制定了“先奪南山、斷敵退路、合圍殲敵”的核心作戰(zhàn)方針，核心要點有三：第一，集中優(yōu)勢兵力攻克城南核心高地，摧毀馬家軍外圍防御體系；第二，以精銳部隊穿插至蘭州西關(guān)，搶占黃河鐵橋，徹底切斷守軍北撤通道；第三，完成合圍后，全殲城內(nèi)殘敵，避免馬家軍主力逃竄。

具體兵力部署為：第19兵團負(fù)責(zé)進攻城東竇家山、十里山陣地；第2兵團負(fù)責(zé)進攻城南沈家?guī)X、營盤嶺、狗娃山等核心高地，同時派出主力部隊向西關(guān)機動，奪取黃河鐵橋；第1兵團作為預(yù)備隊，同時向臨夏方向進軍，牽制青海境內(nèi)馬家軍援軍，防止其增援蘭州。

1949年8月中旬，第一野戰(zhàn)軍各部隊陸續(xù)抵達蘭州外圍，完成對蘭州的戰(zhàn)略包圍。彭德懷要求各部隊停止前進，開展為期數(shù)天的戰(zhàn)前準(zhǔn)備：一是組織偵察分隊抵近前沿，摸清馬家軍陣地布局、火力點位置、地雷區(qū)范圍；二是開展山地攻堅、爆破碉堡、反沖擊防御等針對性訓(xùn)練，彌補部隊對西北地形與馬家軍作戰(zhàn)特點不熟悉的短板；三是搶修道路、籌集糧草彈藥，保障攻堅作戰(zhàn)的后勤供應(yīng)；四是召開各級軍事會議，傳達作戰(zhàn)方案，明確各部隊任務(wù)與協(xié)同要求。

8月20日，第一野戰(zhàn)軍部分部隊發(fā)起試探性進攻，目的是進一步驗證敵軍防御強度、摸清火力配置。此次進攻中，解放軍在沈家?guī)X、竇家山等陣地與馬家軍發(fā)生小規(guī)模交火，因敵軍居高臨下、火力密集，加之部隊對山地攻堅準(zhǔn)備不足，進攻未能取得突破，且出現(xiàn)一定傷亡。彭德懷當(dāng)即下令停止試探進攻，要求各部隊總結(jié)經(jīng)驗，調(diào)整攻擊戰(zhàn)術(shù)，補充彈藥與攻堅器材，為全線總攻做最后準(zhǔn)備。指揮部再次強調(diào)，黃河鐵橋是戰(zhàn)役勝負(fù)的關(guān)鍵，必須在總攻發(fā)起后快速穿插，不惜一切代價控制橋頭，絕不讓馬家軍主力北逃。

1949年8月25日拂曉，第一野戰(zhàn)軍對蘭州外圍陣地發(fā)起全線總攻，數(shù)百門火炮同時開火，對馬家軍南山陣地實施火力壓制，炮彈覆蓋碉堡、塹壕與火力點，摧毀部分前沿工事。炮火準(zhǔn)備結(jié)束后，各主攻部隊向目標(biāo)陣地發(fā)起沖鋒，蘭州戰(zhàn)役最激烈的陣地爭奪戰(zhàn)正式打響。

營盤嶺是蘭州城南的核心制高點，由馬家軍精銳部隊防守，工事最為堅固。第6軍擔(dān)任主攻任務(wù)，部隊在炮火掩護下，向營盤嶺一線陣地推進。馬家軍依托碉堡與塹壕瘋狂射擊，同時組織兵力發(fā)起反沖擊，雙方在陣地前沿反復(fù)拉鋸。

解放軍步兵與工兵協(xié)同作戰(zhàn)，工兵以爆破筒、炸藥包摧毀碉堡，步兵緊隨其后占領(lǐng)塹壕，逐點清除敵軍火力點。戰(zhàn)斗持續(xù)至當(dāng)日下午，第6軍先后攻克營盤嶺一線、二線陣地，占領(lǐng)主峰，打開了蘭州城南的核心防線缺口。

沈家?guī)X被稱為“蘭州鎖鑰”，是馬家軍防御的重中之重，也是戰(zhàn)斗最慘烈的陣地。第63軍189師承擔(dān)主攻任務(wù)，敵軍以密集火力封鎖進攻路線，同時以騎兵、步兵輪番反沖擊，陣地多次易手。

解放軍官兵不顧傷亡，依托地形隱蔽接敵，用手榴彈、刺刀與敵軍展開白刃戰(zhàn)，逐步壓縮敵軍防御空間。戰(zhàn)斗中，敵軍碉堡、塹壕被炮火夷為平地，雙方傷亡均較為嚴(yán)重。戰(zhàn)至當(dāng)日傍晚，189師攻克沈家?guī)X全部陣地，殲滅大量守軍，徹底突破馬家軍的核心防御。

狗娃山、竇家山等陣地的戰(zhàn)斗同步展開，各主攻部隊按照預(yù)定計劃，以勇猛的攻勢突破敵軍防線。馬家軍雖憑借地形與近戰(zhàn)優(yōu)勢頑強抵抗，但在解放軍的炮火優(yōu)勢、步兵協(xié)同與連續(xù)突擊下，外圍高地逐個失守，防御體系瀕臨崩潰。馬繼援在指揮部得知南山陣地相繼失守后，意識到蘭州已無法堅守，于當(dāng)日傍晚下令部隊向城內(nèi)撤退，企圖通過黃河鐵橋北逃青海。

總攻發(fā)起后，第2兵團第3軍7師按照預(yù)定計劃，避開正面陣地，快速向蘭州西關(guān)穿插，目標(biāo)直指黃河鐵橋。此時馬家軍已陷入混亂，部分部隊向橋頭潰逃，與守備鐵橋的部隊擁擠在一起，火力協(xié)同完全失效。7師官兵加速前進，于25日深夜抵達鐵橋南側(cè)，與守橋敵軍展開激戰(zhàn)。

黃河鐵橋是蘭州唯一的跨河通道，也是馬家軍最后的生路，守橋部隊接到炸橋命令，試圖在解放軍抵達前炸毀橋梁，阻止追擊。

第3軍7師先頭部隊發(fā)現(xiàn)敵軍炸橋企圖后，立即發(fā)起沖鋒，以火力壓制守橋敵軍，同時搶占橋頭陣地，阻止爆破作業(yè)。經(jīng)過短時間激戰(zhàn)，解放軍控制鐵橋南側(cè)，拆除已布設(shè)的炸藥，保住了橋梁主體結(jié)構(gòu)。

26日凌晨，解放軍完全控制黃河鐵橋，炸毀部分橋面軌道，阻斷敵軍車輛、重裝備北撤通道，同時派出部隊占領(lǐng)黃河北岸白塔山制高點，形成對鐵橋的全方位控制。至此，蘭州城內(nèi)馬家軍的退路被徹底切斷，陷入四面合圍的絕境。

鐵橋失守的消息傳入城內(nèi)，馬家軍指揮體系徹底崩潰，高級軍官紛紛逃離。馬步芳此前已乘飛機前往重慶，馬繼援率少數(shù)親信化裝逃離蘭州，經(jīng)西寧輾轉(zhuǎn)逃往香港，失去指揮的守軍陷入無序混亂。部分士兵放棄抵抗，向解放軍投降。部分士兵涌向黃河岸邊，試圖利用木板、木桶、羊皮筏子等簡易工具渡河逃生。

當(dāng)時正值黃河汛期，水流湍急、浪大流急，簡易渡河工具難以承受風(fēng)浪與超載，大量士兵在渡河過程中落水溺亡，黃河岸邊與河道內(nèi)出現(xiàn)大量潰兵尸體。第一野戰(zhàn)軍追擊部隊抵達南岸后，對未及渡河的潰兵實施包圍，俘虜大批失去抵抗意志的守軍。

8月26日上午，第一野戰(zhàn)軍各部進入蘭州城區(qū)，對殘敵進行清剿，占領(lǐng)國民黨西北軍政長官公署、警察局等重要機構(gòu)，肅清城內(nèi)零星抵抗。至26日12時，蘭州全城被解放軍控制，持續(xù)數(shù)日的蘭州戰(zhàn)役正式結(jié)束。

蘭州戰(zhàn)役是第一野戰(zhàn)軍在西北戰(zhàn)場進行的規(guī)模最大、強度最高的城市攻堅戰(zhàn)，戰(zhàn)役自8月20日試探進攻至26日總攻結(jié)束，歷時一周。根據(jù)戰(zhàn)后統(tǒng)計，第一野戰(zhàn)軍以傷亡8700余人的代價，殲滅馬家軍主力約2.7萬人，俘虜敵軍1.37萬人，合計殲敵4萬余人，徹底摧毀了馬步芳集團的精銳部隊。同時，解放軍繳獲大量火炮、機槍、步槍、彈藥、汽車及軍用物資，補充了部隊裝備。

此役的勝利，徹底瓦解了國民黨在西北的軍事防御體系，馬步芳集團作為國民黨在西北最核心的軍事支柱被殲滅，寧夏馬鴻逵、河西走廊國民黨殘軍陷入孤立無援的境地，西北戰(zhàn)場的戰(zhàn)略主動權(quán)完全掌握在第一野戰(zhàn)軍手中。