兰州解放后，人民解放军受到兰州市民的热烈欢迎。
1949年8月12日至26日，中国人民解放军第一野战军发起西北解放战争中规模最大、战斗最激烈的城市攻坚战——兰州战役。此役的胜利，不仅消灭国民党军在西北地区战斗力最强、反共最坚决的马步芳主力，使西北其他敌军完全陷于分散、孤立之境地，而且打通了我军西进青海、宁夏和甘肃河西的门户，为进军新疆创造有利条件。
审时度势，乘胜策划决战计划。1949年4月起，第一野战军转入解放大西北的战略进攻，相继解放西安、发起扶眉战役，歼灭盘踞西北的国民党军胡宗南部主力。马步芳部和马鸿逵部慑于我军强大攻势未敢出援，向陇东撤去。国民党政府行政院院长阎锡山紧急召开西北联防会议，策划兰州决战。会议决定令马步芳部主力撤至兰州，凭险据守，吸引第一野战军主力深入兰州城下，而后马鸿逵部、胡宗南部夹击围歼第一野战军于兰州外围，借此达成固守西北、屏障西南、保存实力的目的，进而为国民党反动派卷土重来提供战略配合。
遵照中央军委《解决西北敌军的方针》的指示精神，第一野战军司令员兼政治委员彭德怀综观西北战场态势，决心乘胜发起兰州战役，集中主力攻取兰州、西宁，并确立“力争同马步芳部决战于兰州，严防敌逃回青海”的作战方针。8月12日至20日，第一野战军采取钳制援敌、攻击前进、分割包围等战术，相继攻占定西、榆中、临洮等地，直逼兰州近郊，开始进行攻击兰州城的战斗准备。
外围受挫，及时调整战役部署。兰州为甘肃、宁夏、青海、新疆的枢纽，时为国民党在西北的政治、军事中心。兰州北临黄河，其余三面环山，特别是城南郊群山环绕、山势陡峭、沟壑纵横，地势十分险要。国民党军在兰州构筑起以城南高地为屏障，以坚固永备阵地工事和各类障碍物为主阵地，以外壕和环山公路为机动支撑，以削壁隐蔽侧射火力点为补充的完备防御体系。马步芳部以善于山地和机动作战、步兵与骑兵相互配合的2个主力军、近5万人据守兰州，并吹嘘“兰州是攻不破的铁城”。
8月21日，我军乘势向兰州外围马架山、营盘岭、狗娃山等要地发起攻击。守敌凭借互相连通的明碉暗堡、3道环形削壁和各类障碍工事顽固抵抗。经1天激战，我军未攻下守敌一个阵地，且伤亡较大。彭德怀当即指示各部队暂停进攻，以3天时间认真总结经验教训，以利再战。22日至24日，第一野战军在敌不断反击袭扰下进行再次攻击准备，各部队深刻反思，认真总结经验教训。同时，各部队积极改进攻城战法，调整兵力部署。彭德怀指导各部队指挥员仔细勘察地形、反复夜摸道路，并采取“发扬军事民主、组织沙盘作业”等方式，广泛发动官兵集智攻关研究破敌坚固阵地的战术技术，紧前开展总攻前的物资器材准备。为提升士气、争取民心，各部队深入开展政治动员，通过“进一步明确战斗目标、交流攻城经验”等方式，增强全体官兵夺取胜利的信心。针对兰州城内群众长期受马步芳剥削压迫、对人民解放军了解少等实际，我军指战员充分利用行军间隙帮助群众做好事，打消群众顾虑，发动社会各界人士劝解在马家军中的亲友投降，此举对瓦解敌军起到很好的作用。
重点突破，连续攻坚破敌屏障。第一野战军虽然试攻受挫，但摸清了敌人的部署、战术特点、工事构筑和地形情况。经过调整和充分准备，我军上下斗志昂扬，前方后方全员参战。
8月25日拂晓，我军采用重点突破、多路围歼战法，兵分多路向兰州发起总攻。我军以猛烈的炮火轰击，继以爆破扫除障碍，而后向敌阵地的削壁、堡垒和层层防线实施突击。经过激烈的战斗和反复争夺，第4军首先攻下号称“兰州锁钥”的沈家岭。战至黄昏时，第6军相继攻占三营子、营盘岭等阵地。第65军于黄昏占领马架山时，敌军指挥官用机枪和大刀督战，连续发动反冲击。我军指战员英勇拼杀，一个壕沟、一道削壁地展开争夺，终于夺取一个个阵地。至此，兰州守敌最主要的城南三大主阵地被我军占领。随后，第一野战军各部指战员快打快进、直击要害，以迅雷不及掩耳之势快速突破敌军防御体系。
兰州守敌在城南诸天然屏障一一失守，城内机动兵力有限，援兵迟迟未到，且向西撤退之路又随时可能被我军切断，因此丧失坚守兰州的信心，决定于25日19时后趁黄昏夜幕之际全线秘密撤退。
乘胜追击，断敌退路围歼逼降。25日晚，第3军在协同第4军作战时发现兰州守敌主力趁夜色秘密撤逃，指挥员当即决定边报告边追击。第3军第7师第19团的1个营乘敌混乱溃逃之时，一鼓作气占领兰州西城门，迅速夺占并控制黄河铁桥，切断溃逃之敌撤逃黄河北岸的唯一退路。同时，各攻城部队迅速突入城内，相继采取“大胆深入、独立作战”等方式，逐街道、逐道路同敌军展开了激烈的巷战，同时采用政治攻势劝降围困的敌军。战至26日12时，兰州城内残敌被肃清。随后，第3军一部攻占黄河以北白塔山，其主力继续西进与第1、第2军紧密配合解放永登、循化、民和等县城。在强大军事攻势和“劝降团”政治攻心下，我军先后争取5个保安团的起义和马步芳部军师级军官的投诚。至此，兰州宣告解放，称霸西北的马步芳主力丧失殆尽。30日，我军举行盛大的入城式，受到兰州10万余市民的热烈欢迎。
兰州战役是西北战场最关键、最激烈的战役决战。作战中，第一野战军指挥员在外围作战受挫的不利条件下能够及时总结经验教训、适时调整战役部署是确保战役进展顺利的关键之举，攻城部队避强击弱、重点突破、直击要害是快速突破敌坚固城防体系的关键，快打快进、断敌退路、乘势追击是扩大战果、全歼守敌、达成最终战役目的的重要保证。
