9月29日，東總給軍委發報：「義縣隨時可下，我軍曾利用包圍義縣，出敵不意，迷惑敵人，以掩護我主力南下」。由於已攻佔了興城、綏中、高橋，分割了義縣、錦州與錦西的國民黨守軍，東總決定攻克義縣。
義縣位於錦州北50公里處，是錦州的北側屏障，錦州至承德、阜新的鐵路在此交會，是一個交通樞紐。據史料記載，義縣是座古城，已有500多年的歷史，原為義州衛城，從隋唐起為矩型土城，明朝宣德元年(1426年)，改修為土石城。當時城牆周圍長4516米，高10米，城牆上寬4米，底部寬6米，城牆頂向外有垛口800餘個，城設四門，東為熙春，南為永清，西為慶豐，北為安泰。在城內偏東南有鼓樓一座，連接四個方向的街路，可俯視全城內的情況，是城內的制高點。城北靠近大凌河，城東、南、西三面修有護城河，城南1．5公里處是火車站。
國民黨軍深知義縣地理位置的重要，原為九十三軍軍部和直屬隊的防守地。1948年3月18日，九十三軍暫二十師由阜新、海州分三路撤守義縣，軍部移回錦州，暫二十師師長王世高，下轄一、二、三團、山炮營、工兵營、輜重營、通信連、特務連、野戰醫院等，全師有7000多人，加上地方團隊總兵力達1．2萬人。
當時的九十三軍軍長盧浚泉親自設計指揮構築城防工事，苦心經營了兩年，國民黨國防部視察組曾視察過，認為是較好的城防工事。城防以老城為核心陣地，在城外修築了許多連排據點，配合各種障礙，形成了以古城為中心的環形的防禦體系。在城牆上利用舊城樓和垛口構築了工事和火力發射點，城下修有暗堡，上下呼應，能相互側射，消滅死角。
城牆外4～5米處，築有外壕，寬深各3米，壕前有障礙物，壕底部有暗堡。在東關、南關、西關等出城的道口處，修築了鋼筋水泥和磚石構築地堡群，每個地堡群中間有一個核心堡，四周為小堡相圍，各堡之間以交通壕相連，小堡高1米多，寬5米，大堡高2米多，寬10米多，地堡群外設有外壕，寬深各3米，壕外是障礙物。為了便於發揚火力，將城牆外500米以內的房子都拆掉了，木料被用於建堡壘。
在城外還利用高大建築物或房屋，修築了支撐式的控制要點，有東關的鄭家屯、南關的關帝廟(又稱老爺廟)、西南的武家小廟、城南的火車站、棉花廠、城東北的張家大院等，城北大凌河邊設有橋頭堡。七八月間暫二十師師長王世高，曾在義縣檢閱了守備部隊和地方團隊，九十三軍軍長盛家興也到義縣助陣。8月3日，在暫十八師一部的護送下，由錦州運來90餘輛汽車的給養、彈藥，王世高自信，有給養彈藥，又有堅固工事，堅守7天以上沒有問題。
9月12日，第四縱隊、九縱隊奔襲了義縣，到達義縣外圍地區，實施包圍，從17日開始，向外圍據點發起了攻擊，由於二縱隊五師未趕到，為不使義縣守軍逃走，21日，東總令停止義縣外圍戰鬥。暫二十師師長王世高誤認為解放軍攻不下義縣，要改變策略，圍點打援，先打錦州。所以，提出抓住機會，調整部署，又加修了工事，以一團擔任城東守備，二團擔任城西守備，三團為預備隊，山炮陣地設在城內西北角，師指揮所設城內西南街仁老匯面庄(今影劇院附近)。
20日，東總令三縱隊司令員韓先楚、政委羅舜初統一指揮三縱隊、二縱隊五師及炮縱攻打義縣，以八、九縱隊打援，接到命令，各部隊進行了攻城準備，召開了誓師大會，開展了殺敵立功活動。二縱隊五師培養了一個尖刀營，三縱隊九師培養了兩個尖刀連。聽說要攻打義縣，當地群眾積極為部隊做了梯子橋，準備了糧食，西部山區組織了隨軍、轉運擔架3000多副，建立了戰地醫院。24日，圍攻城部隊組織了少量部隊，襲擊了3個外圍據點，俘虜了國民黨軍40多人，從俘虜的口中，掌握了國民黨軍的設防情況，各部隊進一步加強了攻城的各項準備，還利用喊話、發傳單，做政治瓦解工作。
為了減少傷亡，攻城部隊研究出挖交通壕、交通溝的辦法，以一部兵力佯裝攻城，掩護主力在城外全面挖工事。五師從城西到城下挖了7300米，構築了70多個火力發射點。九師從城南、城東挖到了城下，離城只有近百米，有的部隊還把平射炮(戰防炮)推到距城二三百米處，城內守軍見狀，趕緊組織分隊出擊，結果全被打了回去。師長王世高緊急召集團以上指揮官，到東南角城牆上觀察情況，研究對策，誰也想不出什麼好辦法，只能是繼續派部隊出擊，結果傷亡越來越大，城內的彈藥消耗很大。後來，只能靠打迫擊炮、槍榴彈對付解放軍。
王世高多次向錦州求援，國民黨軍派來飛機到義縣上空助戰，轟炸掃射攻城部隊，根據這一情況，攻城部隊改在夜間繼續佯攻、構工，白天部隊休息，而國民黨軍白天不敢放鬆警惕，每晚還要疲於應戰，根本沒有辦法休息。27日，國民黨軍在飛機上向城內投了一封信，通知王世高，將於28日向城內空投彈藥，暫二十師馬上做了準備，在小學校標示了空投場，10點多鐘，3架飛機臨空，由於解放軍高炮火力猛烈，飛機不敢低飛，大部分投到大凌河北的解放軍的陣地內，城內的只得到一小部分。
29日，攻城部隊發起了外圍戰鬥。八師在鄭家屯遭到國民黨軍兩個連重火器的封鎖，最後派人炸掉了兩個大碉堡，奪取了據點。七師二十一團、九師二十五團攻打火車站3次衝鋒未果，又採取正面攻擊，側後迂迴包圍，僅用了40分鐘殲滅了守軍1個營400多人，佔領了車站。30日凌晨2時，在城南外圍解放軍打開了突破口，國民黨軍急令一團二營長劉雄帶人封鎖突破口，城上以火力支援，結果二營長去後身負重傷，送回醫院就死了。二縱隊五師十四團十一連在炮火的支援下，攻克了城南外圍據點老嚴家、老李家，殲滅守軍200餘人。
當天，解放軍不斷向城內打炮，城內守軍又沒有炮彈，無法還擊，炮彈落在了暫二十師一團的指揮所里，將掩蔽部炸塌，團長趙振華、副團長蔣嘯天被壓在了裡面，費了很大的勁，才被挖了出來，為了減少傷亡，趙振華下令挖掩蔽部，把人員轉入地下。也就在這一天蔣介石給王世高發來一封電報「世高吾弟：義縣安危，影響整個東北戰局，該師連續英勇作戰，殊堪嘉許，現已令錦州范(漢傑)主任大力增援，尚望勉勵官兵，再接再厲，以盡全功。」顧祝同也從瀋陽發來急電，要暫二十師必須堅守一個月，於是，王世高下了道訓令「義縣乃錦州屏障，如義縣不保，錦州將垂危；若錦州失守，整個東北就完了，東北完，國家興亡在此一戰了，務必督飭官兵，堅守陣地以盡全力。如有擅自放棄陣地者，軍法從事，格殺勿論。」但戰至當日晚，義縣外圍據點多數失守了，西門外的地方部隊退下來，要求進城，城內守軍又怕有解放軍混進來，所以不敢放行，退下的部隊被收容起來，被迫退至城東、南外圍工事里防守。
城外的武家小廟、關帝廟、城東南的地堡群、城東北的張家大院等處國民黨軍仍在堅守中，守軍對部署進行了調整，每個外圍據點都有1個連以上的兵力把守，他們自認為義縣還能堅守10天，等待援軍的到來問題不大。晚上，攻城部隊又發動了進攻，以進攻城的西南角為重點，但沒有取得進展。
30日，東北野戰軍司令員林彪下書錦州國民黨軍六兵團司令官盧浚泉，曉以大義，勸其停止抵抗，以免無謂傷亡，但盧浚泉拒不接受，義縣外圍戰鬥繼續進行。五師十四團十連向城西南角的武家小廟發起了攻擊，武家小廟距城牆150米，據點內有4棟房屋，加之地堡群形成了一個環型的支撐點，據點長寬各有50米，內有5個大碉堡21個小碉堡和4個掩體，四周挖有4米寬3米深的外壕，壕外設置有絆腳索、梅花樁、鐵絲網等多道障礙，並有交通壕和暗道通向城內，在其周圍有3個據點可相互支援。
12時28分，經過炮火準備，十四團發起攻擊。由於三面受火力控制，兵力不易展開，十連經8次連續爆破，將5道障礙工事掃清，從西南角攻入據點，迅速攻克了5個大地堡群，全殲守軍暫二十師二團二連兩個排，幾分鐘後，城內守軍組織1個排的兵力，經城內地下通道向武家小廟實施反擊，以城牆上的火力封鎖了後續部隊，十連沉著應戰，打退了3次反撲，一班長王風江將子彈打光，40多個國民黨兵沖了上來，他拔掉迫擊炮彈的保險銷，投了過去，打退國民黨軍的衝鋒，十連堅守了7個小時，擊退了國民黨軍1個排至兩個連的7次反衝擊，斃傷國民黨軍450人，團里為了保存有生力量，採取加油戰術，先後動用了16個班，逐次加入戰鬥，守住了陣地，至此，五師已全部掃清了外圍據點，到達了城下。
九師二十六團在南關攻打關帝廟，關帝廟可側防東南兩側城腳，據點工事很堅固，7次衝鋒未果，傷亡很大，經調整部署，又連續4次爆破和衝擊，最終奪取。八師經過激戰，一舉殲滅了東關的大部守軍，少數守軍逃向城內。城外