鬥中火力組織、戰鬥隊形和戰術應用等提出了明確要求，還特別強調：青馬匪軍為今日敵軍中最有戰鬥力的部隊，在全國也是有數的頑敵。我們對他須有足夠的估計，並作充分的精神準備，力戒輕敵、驕傲急性。進攻時，須仔細偵察，精密計劃，充分準備，作正規的進攻。任何疏忽大意與僥倖心理，都是錯誤的。
彭德懷還指示王震：青馬匪軍現決心固守蘭州，工事又相當堅固，夾河而陣，地形亦有利於守，在左兵團進佔臨夏後，可能動搖其固守決心，但亦可能促進其不顧一切決心死守，甚至放棄西寧撤守大通河東岸及享堂新城湟水北岸保障涼、甘、肅州退路。在我攻蘭州六七天不得手時，寧馬主力可能車運增援蘭州（青寧兩馬汽車據云二千輛以上），似此我將集中三個兵團於蘭州會戰。你們佔領臨夏、永靖兩城後，須休息兩天補充糧食，弄清情況，再定行動。
根據這一部署，在第二、十九兵團進行強攻蘭州準備的同時，擔任截擊蘭州戰役中可能西逃之敵的左路軍第一兵團正急速行軍。第一兵團的迅速挺進，使蘭州守敵右側安全和馬步芳老巢西寧受到嚴重威脅，馬步芳不得不抽調騎兵第八旅和騎兵第十四旅回西寧擔任守備任務。
第一野戰軍三路大軍包圍蘭州並且擊破敵一翼後，胡宗南並未出兵解蘭州之急，援蘭州的寧馬被我第六十四軍鉗制在海原不得前進，實際上形成了青馬孤軍困守蘭州的局面。
8 月23日，中央軍委指示第一野戰軍首長：“馬步芳既決心守蘭州，有利於我軍殲滅該敵。為殲滅該敵起見，似須集中三個兵團全力於攻蘭戰役。
王震兵團從上游渡河後，似宜迂迴於蘭州後方，即切斷蘭州通青海及新疆的路並參加攻擊，而主要是切斷通新疆的路，務不使馬步芳退至新疆，為害無窮。攻擊前似須有一星期或更多時間使部隊恢復疲勞，詳細偵察敵情、地形和鼓動士氣，作充分的戰鬥準備，並須準備一次打不開而用二次、三次攻擊去殲滅馬敵和攻佔蘭州。“
彭德懷根據中央軍委的指示精神，精心準備再次攻擊蘭州。
23日，他急匆匆地來到獵嘴嶺第十九兵團指揮部。
兵團司令員楊得志、政委李志民向他報告：“十九兵團部隊的歷史上還沒有遇到過這樣的情況，攻敵幾個陣地，一天多沒拿下一個。軍、師、團的幹部都很憋氣，覺得非出這口氣不可。”
彭德懷說：“部隊試攻受阻，主要原因是輕敵，次要原因是敵工事堅固，敵人頑強。這次試攻是我決定的，時間倉促，部隊準備不夠。不過透過這次試攻也達到了瞭解敵人的目的。你們要告訴部隊沉住氣，總結經驗，仔細研究敵人，紮紮實實地做好準備工作，待命向敵人發動總攻。”
當時，第一野戰軍有的幹部仍認為，當前形勢已是“秋風掃落葉”，馬步芳未必會固守蘭州。彭德懷再三提醒說：馬步芳、馬繼援都是反動透頂的傢伙，他們就象輸紅了眼的賭棍，把最後一點賭注全押在蘭州。我們部隊大部分還沒同他交過手，不是有個“困獸猶鬥”的成語嗎？對敵人切勿疏忽大意。馬軍慣打反撲，在佔領敵陣地後，改造工事未完成時，最須注意。
他還意味深長地說：“蘭州這一仗打好了，西北可以早一點解放。打不好，讓敵人跑掉，我們就是對人民犯罪。”
我軍經嚴密偵察，判斷敵人主力集中在南山，而東西兩翼薄弱，北面的黃河鐵橋是敵人唯一退路。這樣，佔領南山就成為攻打蘭州的重點，而能否奪取黃河鐵橋是能不能全殲敵人的關鍵。
圍繞這一重點和關鍵，彭德懷適當調整了作戰部署。
8 月24日21時，彭德懷向中央軍委報告：“二兵團、十九兵團攻城準備工作已妥。疲勞尚未恢復，糧食不足，油、菜更難解決。青馬軍不斷反襲，故很難得到休息。以現在的準備工作看，攻佔蘭州有六七成把握，故決定在25日晨開始攻擊。”
毛澤東在26日覆電：如25日攻城得手，則局勢起了變化。如不得手，則作為偵察性質之作戰，按來電確定先打援，後攻城。
第一野戰軍作了充分準備後，於25日拂曉發起總攻。
敵軍堅固工事一個個被突破。經過異常激烈的戰鬥，沈家嶺主陣地上的上、下狗娃山，首先被第四軍攻佔。下午，第六軍攻克了南山最高峰營盤嶺的主陣地三營子；六十三軍攻佔敵另一主陣地豆家山。六十五軍於黃昏佔領古城嶺、馬架山。至此，蘭州的“鎖鑰”已全部掌握在我野戰軍手中。
在戰鬥中，敵軍指揮官用機槍和大刀督戰，連續