在战斗中，敌军指挥官用机枪和大刀督战，连续向野战军发起反冲击。进攻部队每攻占一条壕沟，攀登每一道削壁，夺取每一个阵地，都需经过艰苦的战斗和反复的争夺，并用刺刀同敌人肉搏。
敌人在皋兰山主峰营盘岭的工事最强。第六军十七师五十团冲到该阵地第一道削壁时，未及时炸开突破口，并遭敌钢筋水泥暗堡火力猛烈射击，几次爆破和攻击均未成功。
只见七连指导员曹德荣挺身而上，抱起炸药包，趁着手榴弹升起浓烟雾之际爬到削壁下，身贴崖壁，手托炸药包炸开了缺口。这位舍身炸削壁的英雄，用自己的身体开辟了前进的通道。
随后，攻击部队又突破第二、三道削壁，在友邻第十六师的密切配合下，胜利地攻占了三营子阵地和皋兰山主峰营盘岭。
沈家岭是沈家坪上一个馒头形状高地，东侧坡度不大，一直延伸到兰阿公路边，生长着一些杂草灌木；西侧是红色岩石的绝壁；北面是一片白土开阔地；南面有一个高地，与沈家岭高地形成了一个马鞍形。敌人把沈家岭高地筑成一个大圆形堡垒，设有三道防线。在扼守交通要道的阵地前，除布雷外，还设置了鹿砦、铁丝网等障碍，并在阵地上堆放了许多在汽油筒内装有炸弹的“飞雷”。守敌在两高地间的马鞍部，挖成一条长100多米，宽20多米，深10多米的战壕。
为了争夺沈家岭，我军与敌军展开了一场血战。
下面是守卫该阵地的敌第一九○师参谋长李少白回忆沈家岭战斗的一个场面：
25日凌晨2时，解放军攻击开始了，来势很猛。原来这几天，正面的解放军，利用夜晚，接近我前沿阵地战壕下，埋好了炸药，我方守军没有发觉。所以攻击一开始，我方阵地就被炸开一个大缺口，解放军从这缺口冲进来。这种出其不意的攻击，使守军措手不及，一度陷于混乱。经过一阵冲杀后，才稳定下来，双方形成尖锐的对峙。这个缺口，在解放军强大火力下无法修补，成为第一九○师阵地的致命伤。解放军打开正面缺口后，同时又向东西两翼迂回包围我阵地。天拂晓时，整个阵地被包围，战斗十分激烈。
25日是战斗最激烈的一天，但这一天并不是“日月无光”的战争天气，而是一个万里无云的秋天。大自然彼我无私，晴朗的天气，能见度高，对双方射击都有利，命中率高。这样双方的伤亡，也就更大了。在这紧张的关头，我们很希望来几架飞机，在解放军的阵地上轰炸一下，也能助助我们的威，使我们换一口气。
飞机终于盼来了，但只有一架，令人失望的是它在高空，嗡嗡地盘旋了几转，没有投一枚炸弹，便溜走了。
解放军攻势，越来越猛，沈家岭上，炮声隆隆，烟尘滚滚，官兵伤亡重大。这时，除我们右翼的狗娃山暂时无战斗外，左翼的东岗坡，三台阁，都和我们一样处在硝烟弥漫中。我们的预备队，早已用完，需要援兵。但这时马继援已决定要逃跑，不再向山上增援了。
到太阳快落山的时候，解放军的攻势，更加猛烈，我们已渐渐失去还击能力，阵地已被解放军分割包围，各阵地间的电话线路早已中断，阵地内短兵相接，一片混战。
这时，突然约有一班解放军士兵，前面一个战士扛着一面红旗，从我们右前方冲过来，接着各阵地的解放军，也都发起了冲锋，我方士兵们纷纷向后逃跑。
这时我与师长杨修戎等在最后一道阵地上督战。我们想用手枪制止阵地上的士兵后退，但没有一个人听指挥了。我们也趁机跟着他们逃出阵地。我看看四周和我们一块逃跑的人已是寥寥无几。
这约一班兵力的解放军，跟在红旗后，并没有对我们射击。我们沿着公路向坪下跑，他们向着坪的前沿前进，红旗在晚风中飘荡，胜利属于解放军了。
在兰州鏖战之际，我野战军左路第一兵团于8月22日解放了临夏。马步芳深感后方空虚，老巢危急，不得不由兰州抽调骑兵第八、第十四师回援西宁。
马步芳急派亲信赴宁夏求援，但马鸿逵为保存实力，虚与委蛇。
马步芳又于24日急电国民党政府：请火速分催陕署、宁夏友军行动，也是没有回音。
求援无望，保命要紧，保住老巢要紧，马步芳决定当天自兰州飞回西宁。他行前叮嘱其子马继援说：“如马鸿逵、胡宗南及空军再不来援，则迅速撤守青海。”
可他不知，在兰州作战的同时，担任钳制任务的我第十八兵团，乘胡宗南集团的第三十六、第三十八、第六十五、第一军向西和、宝鸡、虢镇进攻之机，命第六十、第六十一军向敌展开猛烈反击，先后歼敌3700余人，迫敌南撤。
我第六十四军在海原地区钳制住了宁马集团的增援，使其先头部队到达海原以北后不敢前进。
25日下午，那个发誓“与兰州共存亡”，嚣张一时的“马家军”总指挥马继援，秘密从阵地上撤走部队，趁夜幕降临之际，想通过黄河铁桥退至北岸。
敌人的企图被我第二兵团三军七师首先发觉，他们一面报告上级，一面发起追击。
26日凌晨，我军攻占西关，抢占铁桥，堵死了敌军的唯一退路。经过巷战，我野战军于当日中午肃清了城内残敌，并越过铁桥占领白塔山。
马继援仓皇逃出兰州城。他以及他的马家军在当时逃出的狼狈样，被一位国民党官员如实记载下来：
25日，我在永登见到马继援仅带少数随从，自红城子方面蹒跚而来，光头鹄面，状极狼狈。
见面时他哽咽落泪，语不成声，半晌才说出：“我以为第一○○师还完整，不料也完全损失了。”
他随即赴永登西北地区陆续收集残兵败将，约得五六千之众。其中，仅有原在兰州至河口北岸担任守备的三个骑兵团尚称完整，由韩有禄率领，在秦王川担任收容掩护任务。剩下的多系老残勤杂，其中有一部分是不久前由甘肃保安团队拼凑来的甘籍官兵。马继援对这些部队极不信任。
马继援原想收集残余，逃奔京州（武威），与新疆骑兵第五军马呈祥部会合，作最后挣扎。后闻西宁紧急，其父已逃离西宁，并连续接到西宁方面电，催彼从速返青，乃遣散已收容的全部官兵，自率少数亲信，仓皇从小道向青海逃去。
当我们由永登向古浪撤退时，只见马部官兵，不成队伍，数十成群，络绎不绝地沿公路朝东向河口走去。我们感到诧异，问彼何往？
他们回答说：“马家不要我们了，我们回家去。”
就这样，被国民党倚为金城汤池的兰州宣告解放。这是西北解放战争史上规模最大、战斗最激烈的一次城市攻坚战，也是西北战场上最后一次大战役。这次战役，共歼灭马步芳主力2。7万余人。
在回忆兰州战役时，彭德怀多次谈到：打兰州是一场恶仗，是艰巨的攻坚战，有的团一千五六百人的建制，战斗结束时只剩下几百人。这些战斗英雄们为了人民事业，粉身碎骨，给后人留下了宝贵的精神遗产。
兰州解放后，敌西北军政长官公署及防守景泰、靖远之敌第九十一、第一二○军等部，沿河西走廊向张掖、玉门逃窜；宁夏援兰兵团由兰州以东迅速撤回宁夏。
8月6日，中央军委给彭德怀来电说：“在马步芳解决后，必须使用杨得志兵团深入宁夏，给马鸿逵部以歼灭性打击”。
第一野战军首长根据中央军委的指示，决定：以第一、第七、第六十二军及第四军一部分别留置西宁、天水、临夏、兰州等地，担负警备、剿匪及维护后方治安任务；以第二兵团及第一兵团部率第二军分别由兰州、西宁地区追歼河西走廊之敌；以第十九兵团部率所属第六十三、第六十四、第六十五军进军宁夏，求歼马鸿逵部。
毛泽东对宁夏马匪深恶痛绝，专门致电彭德怀：马鸿逵残杀陕北人民甚多，从来没有做过好事。对宁马军“力争全部缴械，其次则争取大部缴械，一部改编。总之，改编的部队愈少愈好”。
1949年9月2日，杨得志率第十九兵团将士，浩浩荡荡杀向宁夏。
宁夏是马鸿逵经营多年的地盘。说到历史，西北地区的国民党封建军阀势力，主要有马鸿逵、马步芳、马鸿宾三家。马鸿逵拥有宁夏，马步芳拥有青海，双方都不断地扩充势力，企图控制更大的地盘，以遂其霸占西北的野心。马鸿宾栖居宁夏一角，率领第八十一军万余人，分驻中卫、中宁、同心一带，势单力薄，政治上只求荫及其子。按照三马的情况，马步芳为最强，马鸿逵次之，马鸿宾为最弱。西北各马，彼此勾心斗角，矛盾重重。但遇有共同利害，则通力合作，一致对付。
马鸿逵继其父马福祥、堂兄马鸿宾之后，统治宁夏17年，集党政军权于一身，在施政步骤上采取以军治政，以政治党，军是基本，政是工具，党是招牌。他的军队来源，一部分是过去从冀、鲁、豫各省招募来的，大部分是在宁夏就地征选的。解放前夕，马鸿逵共有步兵三个军，每军辖三个师，另有一个骑兵师，连同直属部队和地方团队，共计8万余人。宁马军队的主要军官几乎全是甘肃临夏地区（河州）各县的人，下级军官中宁夏回族人约占一半。所谓“甘（甘肃）、马（他的家族亲属）、回（回族）、河（临夏）”，即指的是马鸿逵用人的标准和军队成份。他的行政官员一部分是从自己军队中培养出来的，另一部分是他父亲马福祥旧部。马鸿逵的兵是他亲眼挑选训练的，军官是他亲自教导提拔的，所以他在宁夏的统治根深蒂固，得心应手，随处逢源。
1948年，马鸿逵一方面见国民党大势已去，感到自己在西北的统治面临危机，另一方面为了称霸西北，扩充势力，因而多次向蒋介石写报告，要求扩军20万，以“保卫大西北”。
可蒋的答复只是“所见甚是，交国防部核办”，再无下文。
尽管马鸿逵血债累累，但我党从早日争取革命胜利的大局出发，考虑到宁夏人民群众的生命财产，并未放弃和平解放宁夏的打算。我党通过各种渠道，向马鸿逵做了大量的说服诱导工作。1949年淮海战役时，我党通过一位名叫杨子垣的人从香港给马鸿逵写信，说明全国革命形势和解放军取得的决定性胜利，建议他和平起义，出兵陇东，攻向青海。北平和平解放后，毛泽东主席派邓宝珊由包头来宁，策动马鸿逵趁青海兵团东向扑陕之际，出兵陇东，截断青军归路，消灭马步芳，为人民立不世之功。但马鸿逵顾虑重重，没有答应。兰州临解放前，我党派人持函劝告马鸿逵父子接受和平，并指明出路：“交出军权，保持政权”，但马鸿逵认为军队是政治资本，没军权就没有政权，故而再次表示拒绝。
1949年8月下旬，正当我军即将拿下兰州城的时候，马鸿逵接到蒋介石的电令，让他携带作战地图去重庆开会。这时，马鸿逵正在准备逃出银川，但他同时又担心落个弃城逃跑、怯敌怕战的罪名，既不好向部下交待，又可能被蒋介石开刀问斩。恰好，这个电令来得正是时候。他马上召集手下的三个军长吩咐道：“蒋先生来电，令我去重庆开会。我这一去，少则三五日，多则十来天，待会议一完，立即就回来！我走后，望各位多多操心，加强防守，死战到底！”
然后，他又把马敦静独自留下，暗暗叮嘱道：“蒋介石这老狐狸现在叫我去，一则想拉咱们的队伍，二则也是怕我投降共产党，把我骗到重庆去当人质，逼你们与共军作战。不过，你知道就行了，千万不要声张，弄不好就会军心大乱。刚才我把三个军长叫来，都跟他们交代过了，让他们听你的。你要稳住，有事跟我通话。看来宁夏是保不住了。我也不一定回来了，要是解放军打过来，你就见机行事吧。”
马鸿逵把事情都一一交代完毕后，留恋地望了望自己公馆的36根红漆大柱子，尔后匆匆赶往机场。
马鸿逵走后，所有宁夏兵团司令官、省政府主席、省党部主任委员等职，均由马敦静代理。他每日吞云吐雾，逍遥自在，好像一切部署就绪，成竹在胸。
部下问他：“解放军快要到吴忠堡，怎么办？”
他说：“准备把船拉到河西，使敌军无法过河。”部下说：“那是古代防守办法，现在打仗，大江、大海阻挡不住，榴弹炮射程60里，一条隔岸相望的黄河，恐难阻挡！”
他无话可说，只好不耐烦地挥了下手。
马鸿逵交给马敦静的7万人马，在这位公子哥的摆弄下，形成以银川为中心并依踞黄河天险的三道防线：以骑兵第二十团守同心，第八十一军一部守靖远，新编骑兵第一旅守景泰，构成第一道防线；以贺兰军守中宁，第八十一军主力守中卫，构成第二道防线；以第一二八军守金积，第十一军守灵武（后退守银川），构成第三道防线。
我第十九兵团针对宁夏敌军防御部署，决心首先突破敌第一道防线，截击中宁之贺兰军，争取中卫的第八十一军起义，得手后，再集中力量歼灭敌之主力于金积、灵武、银川地区。具体部署是：以第六十四军并指挥独立第一、第二师为右翼，待主力解放靖远后，截断中宁与金积联系，一部配合主力向中宁进攻；主力第六十三、第六十五军由定西、兰州北上，先取靖远，后在第六十四军配合下进攻中宁之敌；以第六十三军第一八八师为左翼，沿黄河而上，攻克景泰后向中卫进攻。
9月2日，第一野战军主力及左翼第六十三、第六十五军开始北进，7日攻占靖远。
9月10日，敌采取以攻为守的方针，出动第一二八军第三五七师、骑十旅、宁夏保安第七团，共7个团兵力，袭击我驻下马关的独立第二师，使该师受到严重掼失。我第六十四军第一九一师一个团闻讯后，立刻前往增援，击败偷袭之敌。
当日，我军中路主力占领打拉池，右翼于12日攻克同心，左翼迫近景泰。敌第一道防线被突破。
马敦静在其第一道防线被突破后，慌忙撤出中宁，并调整了作战部署，急调贺兰军北渡黄河加强其右翼，第十一军退守银川。于是，宁夏守敌第二、三线的兵力空虚：第二线仅有第八十一军，第三线仅留第一二八军。
15日，我第六十三军攻击中卫黄河南岸常乐堡，歼敌两个团，直接威胁第八十一军。在我争取下，该军19日接受我方改编条件，宣布起义，编为人民解放军独立第二军。这样，敌第二防线也被我突破。
我十九兵团右翼部队14日攻占中宁后，迅速向纵深推进。我第六十四军于18日占领牛首山，19日占青铜峡。
马敦静召集第一二八军军长卢忠良、贺兰军军长马全良，商量对策，最后决定放弃银川，并同时命令决黄河堤水，阻止我军进攻。马敦静还安排高级军官飞往重庆，部队解散回家，企图将部队分散隐蔽，待机再起。
由于我进展迅速，马敦静19日飞逃，宁夏守军未敢也未来得及决堤放水。这时的宁夏守军已惶惶不可终日，只得选择通电投降这一唯一的生路。
经过一番咬文嚼字的推敲，宁夏守敌于9月20日向毛主席、朱总司令、彭副总司令等发出求和通电，原文如下：
国民党秉国以来，领导无方，纪纲不振，民生凋敝，致战祸弥漫全国，强者死于炮灰，弱者流子沟壑，刻又战事迫近西北，面临宁夏。全良等不忍地方70万军民，遭受涂炭。爰于本月20日停战，服从毛泽东领导，实行民主，停人民登于衽席，国其安于磐石。至于军事如何改编，政治如何革新，听候协商，一致服从。
通电署名的有：宁夏贺兰军军长马全良、第一二八军军长卢忠良、第十一军军长马光宗，副军长兼第三五六师师长马宝琳、副军长兼第二五七师师长马英才、第一八九�