彭德懷的應對之策是：王震第一兵團（欠七軍），並指揮第六十二軍為左路，取武山、隴西、渭源、臨洮，得手後經臨夏渡黃河直取西寧，截斷青馬退路；第七軍控製天水，與十八兵團打通天寶鐵路，一部控製隴西，保護左兵團交通運輸；第二兵團為中路，由蓮花鎮經馬營、內官營鎮、通安驛、洮沙，向蘭州城南、城西攻擊前進，並準備一主力於蘭州上遊渡黃河，沿蘭寧公路東進，包圍蘭州，如其先退西寧或北走，該兵團即西進，協同第一兵團進攻西寧或尾追攻擊；第十九兵團（欠第六十四軍）為右路，第六十五軍由隆德經靜寧沿西蘭公路，第六十三軍由固原經興隆鎮、會寧、定西，向蘭州城東攻擊前進；第六十四軍控製固原城及其以北，對寧馬軍積極防禦。
雙方準備就緒，蘭州建城兩千年以來最大規模的大戰拉開序幕。截至八月二十一日，解放軍各部已按原定計劃掃清了外圍，兵鋒直抵蘭州。這一天的拂曉，一野之第二、第十九兵團向青馬在蘭州之外圍陣地馬家山、竇家山、古城嶺、營盤嶺、沈家冷發起攻擊。這幾塊硬骨頭果然難啃，數度攻擊，解放軍傷亡巨大，進展緩慢，根據戰場情形做了調整後，進攻重新開始。
蘭州戰役的焦點之戰是沈家嶺和狗娃山戰鬥。
沈家嶺是位於蘭州城西南十餘華裏的一條大山梁，乍看像一隻橫置的大葫蘆，從南麵順著山梁的自然走勢北下，經華林山可直通城區西關。守軍在山梁的東、西、南三麵山坡，鏟消出二三丈高的峭壁，峭壁外沿布滿鐵絲網和地雷場；峭壁之上密布地堡和暗火力點，以塹壕相接，縱橫交錯，按地形組成三道防線，是國民黨軍防守蘭州的主陣地之一，主力為一九○師，師長為馬振武。擔任進攻沈家嶺的解放軍部隊為第四軍十一師，師長為郭炳坤。八月二十五拂曉，三發信號彈升起，劃破大戰前蘭州城的夜空，進攻開始了。開始似乎是順利的。三十一團在團長王學禮的率領下，僅用十多分鍾時間便突破了守軍第一道防線。可是，就在向第二道防線發展時，守軍集中優勢兵力反撲過來，三十一團官兵沉著應戰，打垮了守軍第一次反撲。對於攻守雙方，都明白當下的情形，這是一場關乎全局的生死戰。守軍為鞏固陣地，預備部隊源源不斷湧上來，三十一團堅守已經奪占的陣地，雙方在這狹小之地反複爭奪，反複衝殺，戰鬥慘烈之極，各自損失巨大，解放軍三十一團官兵絕大多數陣亡，全團僅剩一百七十餘人。另一路從沈家嶺西側擔任助攻的第三十二團進展也不順利，利用暗夜穿插到指定地域，剛站穩腳跟，即遭守軍強勢圍攻，傷亡慘重，無力向前發展，隻得守住已得陣地，等待援軍。
此時，十一師指揮部命令擔任預備隊的三十三團投入戰鬥。一接戰，守軍居高臨下發動反衝擊，造成很大傷亡，進攻受挫。戰事一時陷入僵局。主攻狗娃山的第十師請求支援，四軍首長派三十團火速赴援。十三時許，三十團投入戰鬥，戰場形勢頓時一變，守軍的反撲已是強弩之末，怎當得起生力軍的打擊。陣地得到鞏固，總攻開始了。十七時，四軍各部向沈家嶺、狗娃山守軍發動全麵進攻。第三十團、三十一團、三十二團一起向守軍殘存陣地衝擊，守軍漸漸不支，沈家嶺為解放軍攻占。同時，第十師二十八團和第二十九團也攻占了狗娃山陣地，蘭州城門暴露在四軍將士的火力之下。
八月二十五總攻發起後，第六軍之第十六、十七師部隊，在強大炮火支援下，也向營盤山、皋蘭山守軍陣地發起猛攻。守軍為青馬主力第八十二軍二四八師。營盤山、皋蘭山為蘭州製高點，奪取兩山，蘭州城盡在俯瞰下。守軍在這裏可謂處心積慮，戰前，已在山上構築了堅固的防禦工事，其縱深可達十四公裏。明碉暗堡星羅棋布，互相照應，互相依靠，形成交叉火力網。順山梁自上而下有環形峭壁三道，配置了鐵絲網和連環雷區。擔任主攻的是解放軍第十七師五十團，團長為劉光漢。當進攻部隊向三營子第一道塹壕突擊時，遭守軍頑強反擊，雙方於此反複爭奪、拚殺、肉搏，死傷枕籍，守軍漸漸不支，陣地為解放軍攻占。解放軍六軍各部也相繼投入進攻，經過慘烈戰鬥，均宣告奪占各自目標。至十七時許，皋蘭山落入解放軍之手。此戰，國民黨軍陣亡一千七百二十五人，解放軍傷亡一千二百三十五人。