1949 年夏天，第一野战军以摧枯拉朽之势进军西北。陕西扶眉战役打破了胡马作战联盟，京城兰州成为了西北战场上下一个必取之战略要地。兰州古称金城，意为固若金汤之地，自古就是军事重镇，是甘肃通往宁夏、青海和新疆的交通要道，国民党西北军政长官公署就设在兰州。
7 月 21 日至 24 日，第一野战军第 19 兵团和第一、第二兵团先后由前线礼泉、凤翔、宝鸡等地区出发，向甘肃、宁夏挺进。国民党西北军政长官公署代理长官马步芳决心在甘肃平凉组织会战。7 月 24 日，马步芳派西北军政长官公署副长官兼参谋长刘仁携关陇会战指导赴案，计划到静宁协调青海马步芳、宁夏马鸿逵所部部署平凉会战。可平凉会战的计划要求马鸿逵的部队打头阵，马鸿逵很不高兴，于是给宁夏兵团总指挥发出了一道命令：保存实力，撤回宁夏。宁马的部队一撤，马步芳的部队也不得不后撤，导致平凉会战胎死腹中。彭德怀见机决定乘胜分隔两马，各个歼灭之。
7 月 28 日，第一、第二、第十九兵团分三路向陇东挺进。至 8 月 11 日，第一野战军在 19 天陇东追击作战中，共歼灭国民党军 1.19 万人。第一野战军重挫马步芳、马鸿逵锐气的同时，也彻底分割了两马的联系，造成了解放大军直逼兰州、西宁、银川的有利态势。
1949 年 8 月 14 日，国民党政府在广州召开西北联防会议，由行政院长阎锡山主持，马步芳、马鸿逵及胡宗南出席。会上制定了兰州决战计划，由马步芳部竭力抗击，最后撤至兰州凭险据守，吸引第一野战军主力深入兰州城下，然后由马鸿逵部、胡宗南部向西围歼第一野战军于兰州城下。国民党军还答应派飞机大力支援兰州，企图在兰州挽回败局，一举消灭第一野战军主力。会议上马步芳被任命为西北军政长官公署长官，马鸿逵被任命为甘肃省政府主席。
马家军是一支非常反动的家族统治性质的封建军事集团，其野蛮和残忍程度名声在外。蒋介石让马家军据守兰州，其目的就是为了拖延解放军进军西南的进程。但其与第一野战军决战于兰州的决定，在彭德怀看来却是一件求之不得的好事。他对司令部参谋人员说：“我们不怕他守，而是担心他跑掉。如果他真的不跑，就到了我们把他消灭的时候了。”毛泽东也说过一旦让青马逃往青海，危害无穷。
兰州城南北群山环抱，东起黄河穿城而过。南郊绵延 20 多公里的南山，是全城的天然屏障。通向城里的环山公路与各主要阵地相连接。抗日战争时期，这里就构筑了大量永久性工事。山体外斜面多是悬崖峭壁，沟壑纵横。马步芳深知此战生死攸关，将其主力几乎全部用于防守兰州，由其子马继援坐镇指挥，他本人也亲赴兰州督战。
新马主力第 82 军、第一二九军和两个骑兵师、3 个保安团，共计约 5 万人，部署在南山的营盘岭、马家山、沈家岭一线。第 120 军、第 91 军和马鸿逵的第 81 军，共 3 万余人，在兰州东北的景泰、靖远和达拉池地区布防，保障兰州左翼安全。再以新编的骑兵约 2 万人，控制洮沙、临洮地区，保障兰州右翼安全。
二马在兰州的总兵力达到 10 万多人。马步芳父子还吹嘘兰州是攻不破的铁城。8 月 4 日，彭德怀下达了消灭马家军的命令。8 月 9 日，第一野战军主力和 15 万支前民工分左、中、右三路向兰州方向挺进。右路为杨得志率领的第 19 兵团，沿西兰公路向兰州进军；中部为许光达指挥的第二兵团，经榆中、皋兰山向兰州以南行进；左路是王震率领的第一兵团，经陇西、临洮、临夏，北渡黄河，直指马步芳的老巢西宁，切断兰州守敌的退路。千里西进顺利得出人意料，新马一路不战而退，拱手让出 30 多个县城。而胡宗南以南撤陕南，马鸿逵又率部向宁夏撤逃。
8 月 21 日，第一野战军三部大军完成了对兰州的三面包围，北面黄河大桥仍在马家军的控制之下。彭德怀针对这一局面，判断马步芳有弃守兰州的可能，为避免错失战机，决定于当日即向兰州马家军守军发起进攻。在皋兰山的营盘岭上，如今还能看到当年马家军使用的工事。正是这些坚固的工事，让解放军的进攻遭受到了挫折。经一天激战，马家军依托坚固工事拼死抵抗，双方均有不小伤亡，战斗未获进展。第一野战军当即决定暂停进攻，用 3 天时间认真总结、侦查地形、进行沙盘作业。
彭德怀率领的第一野战军一路势如破竹般打过来，在打兰州之前，大家都知道马家军是非常凶悍的，也做了非常多的准备，但兰州这种特殊的地形情况依然超出了前线指战员们的判断。8 月 21 日，第一野战军司令部向各兵团发出作战指示，指出青马是当今敌军中最有战斗力的部队，全军需有足够估计并做充分准备。
经过几天侦查，第一野战军查明，马家山、营盘岭、沈家岭是马步芳防御体系中的三个主阵地。马家军以主力第 82 军第 100 师、第 248 师、第 190 师三个师分别固守。此外，第 129 军新编第 1 师防守兰州城东至东岗镇，第 357 师防守七里河，骑兵第 8 旅位于黄河北岸西固。马步芳企图背靠黄河天险，主力控制南山，以保兰州不失。但是其两翼薄弱，分兵把守，城中没有预备队，黄河铁桥是其唯一退路。于是彭德怀确定了以攻取南山作为攻克兰州重点，迂回马家军守军右翼夺取黄河铁桥，切断马家军退路，作为全歼马家军守敌关键的战役部署。
8 月 22 日，第一兵团第 2 军进占临夏，防守的马家军被击溃，大步逃散。8 月 23 日，第一兵团主力连续攻占康乐、宁定、和政、临夏、永靖、武城，使兰州守军右翼的安全和马步芳老巢西宁受到严重威胁。马步芳被迫抽调骑兵第 8 旅、第 14 旅回防西宁。
毛泽东对兰州战役极为关注，8 月 23 日专门致电彭德怀、张宗逊、贺龙、习仲勋：马步芳既决心守兰州，有利于我军歼灭该敌。为歼灭该敌，须集中三个兵团全力于攻兰战役。王震兵团从上游渡河后，似宜迂回于兰州后方，即切断兰州通青海及通新疆的路并参加攻击，而主要是切断通新疆的路，务不使马步芳退至新疆，为害无穷。
沈家岭扼守兰州的交通要道，易守难攻，被称之为兰州锁钥。若能夺下沈家岭，就等于打开了解放兰州的大门，可以直抵兰州西关，控制咽喉要地黄河铁桥，截断国民党军唯一的西逃退路。大战开启，敌我双方展开了反复而激烈的争夺与拼杀。担任沈家岭主攻任务的是曾在扶眉战役中荣立战功的第四军第 11 师。第一野战军将士要用血肉之躯将这把锁砸碎。
在第 11 师第 31 团团长王学礼指挥下，第 11 师突破了国民党守军两道防线。虽然第 11 师占领了沈家岭的核心工事，但伤亡惨重，其中第 31 团只剩下不足 300 人，弹药也已消耗殆尽，仅凭顽强的意志与国民党守军展开白刃格斗。战士们跳下战壕，把地雷引爆，后面的战士踩着自己战友的遗体爬上对面的战壕。双方反复争夺阵地达 30 余次。
战斗持续到 8 月 25 日下午 5 点，国民党守军开始向山下溃退。下午 6 点，第四军完全占领沈家岭。在这场恶战中，每夺取一个阵地，每攀登一道峭壁，都要经过艰苦鏖战和反复争夺。第一野战军指战员付出了巨大的牺牲，第 31 团团长王学礼、第 30 团政委李锡贵永远长眠在了这片土地。
在第四军攻占沈家岭的同时，第二兵团第 6 军向皋兰山的主峰营盘岭发起了猛攻。营盘岭位于南山的中央，山势险要，与西边的沈家岭互相衔接，互为照应。皋兰山下就是兰州城，攻下营盘岭，就等于攻占了兰州的中枢神经。能否拿下营盘岭，是攻打南山的关键。然而当部队进攻到第一道防线时，被一道峭壁挡住了去路，4 个连暴露在敌人火力之下，动弹不得，情况危急万分。担任爆破的战士相继牺牲。
当时，已经两处负伤的 50 团 7 连指导员曹德荣，用自己的身体将 40 斤的炸药包抵在峭壁之上，拉开了引线。山石崩塌，烟尘弥漫，这位董存瑞式的英雄用自己的身体开辟了前进的道路。战至 8 月 25 日 17 时，第 6 军第 17 师后续部队又突破第二、第三道峭壁，第 6 军终于攻占了皋兰山主峰营盘岭。第 19 兵团也攻下了窦家山、古城岭和马家山。
当天下午 7 点，马继援下令全线秘密撤退。8 月 25 日晚，这座被称为“天下黄河第一桥”的铁桥，成为全线溃退的马家军唯一的退路。当得知黄河铁桥已经被解放军占领，整个兰州城里的国民党军全部乱了，大部分妄图游过黄河逃跑，第二天尸体都在下游飘了上来。到 8 月 26 日早上 7 点，解放军已完全占领兰州城内的主要据点，残余国民党守军也在当天下午被清除，兰州获得解放。
得知兰州失守后，马步芳于 8 月 27 日从西宁乘飞机仓皇逃往重庆，马继援于 8 月 31 日从永登窜回西宁，随后带着少数军政要员及大批黄金白银乘飞机逃往香港。8 月 30 日，解放军举行盛大的入城式，受到兰州市 10 万市民的热烈欢迎。第一野战军主力攻取兰州的同时，担任牵制任务的第 18 兵团乘胡宗南集团向西和宝鸡虢镇进攻之机，第 60 师、第 61 军歼敌 3700 余人，其余国民党军匆忙回撤。第 64 军在海原地区牵制了宁马援兰兵团，使其不敢贸然南进，有力地配合了第一野战军主力攻克兰州作战。
时光荏苒，战斗的硝烟早已消散，然而兰州战役的悲壮惨烈在那些曾经参加过战斗的老兵们的记忆中依然清晰无比、刻骨难忘。兰州战役中，解放军共歼灭国民党军 12000 余人，俘虏 13700 余人，是西北解放战争史上规模最大、战斗最激烈的城市攻坚战，也是西北战场最后一次大规模战役，为西北的解放奠定了坚实的基础。
第一野战军也为此付出了巨大的代价，全军伤亡共 8700 余人。兰州战役打通了进军青海与河西走廊的通路，为进军新疆创造了有利条件，西北战场形成了人民解放军大踏步进兵、追歼的有利局势。
