15日中午，林、羅、劉下達了在「黃昏前一定消滅錦州之敵」命令，老城內有暫十八師、暫二十二師約一個團、暫五十五師及第八十八師殘部、第七十九師一個團、新八軍留守部隊共約6個團的兵力1.5萬人，老城方圓不足4平方公里，四周有高約10米、頂寬4米的磚土城牆，城牆頂端間隔50米築有一鋼筋混凝土結構的伏堡，並以交通壕與掩體、掩蔽部、小堡相連接，重要地段設有地雷、鹿砦、鐵絲網，城內利用堅固建築物構成核心據點，主要街心、巷口等交通要道均設有暗堡、拒馬和鐵絲網等工事障礙物，城北有寬約5米的外壕一道，城內西北處有一座古塔，西關外是小凌河，由北向南繞城而過。城東南方向與民房相接，便於隱蔽接近。
東北野戰軍指揮所令由七縱隊和二縱隊一部分別從南北兩個方向攻取老城。七縱隊決定：十九師從東南角擔任主攻，二十師從東北角突破，二十一師為縱隊第二梯隊。擔任主攻的十九師，於14日15時從二十師的突破口進入市區後，即靠近老城南側隱蔽集結。此時，五十五團位於大凌街地域，五十六團位於女兒街地域，五十七團位於小凌街地域，師指揮所位於小凌街西側，並進行了攻城的各項準備工作。其進攻部署是：五十五團主力在城東南角的南面突破，其二營在南門突破，首先殲滅南門地區之敵。
而後，以古塔為目標，向西北區發展進攻；五十六團在東南角的東面突破，以1個營向古塔發展進攻，團主力直插東門，殲滅該地區之守軍後，迅速向北門方向進攻；五十七團為師的第二梯隊，突破後以1個營配合五十六團殲滅東門地區之守軍，團主力隨五十五團後跟進，視情況投入戰鬥。師警衛營和縱隊警衛營在西關小凌河西側擔任外圍警戒，截堵外逃之守軍，並以一部兵力在西舊街(今老城外西南角)佯攻，配合主力作戰。
人民解放軍佔領國民黨東北「剿總」錦州指揮所，全殲守軍十萬餘人，活捉國民黨東北「剿總」副總司令范漢傑
縱隊和師的炮兵主要以火力支援五十五團和五十六團的戰鬥，壓制縱深內國民黨軍炮兵。其師山炮6門配屬五十五團，首先在城牆附近佔領發射陣地，以抵近射擊摧毀守軍地堡、火力點，支援打開突破口，而後，伴隨步兵進城，支援縱深戰鬥。
二縱隊十四師十團，在攻城時進到老城西北方向的三官廟地區集結待命，準備從老城的西北方向，三官廟至北門間實施突破。14時，攻打老城戰鬥開始，經火力急襲，摧毀了突破口附近的工事障礙物。十九師五十五團突擊連一連利用火力急襲，僅15分鐘就在南門東側迅速架好了兩個梯子，一舉登上了城牆。五十六團突擊連錦州古塔七連，在15分鐘內用炸藥300餘公斤實施連續爆破，將城東南角炸塌，一連和七連突破後，即受到城內兩側火力的夾擊和1個連的兵力的多路反撲，突擊隊利用城牆，死死守住突破口，團、營也迅速組織火力支援突擊，使守軍潰亂，突擊隊乘勢攻殲100多人，鞏固擴大了突破口。
五十五團二營七連自南門突入後，頑強抗擊了反撲的國民黨軍，又向西南實施攻擊。各級二梯隊也相繼投入戰鬥，多路並肩突擊，勇猛穿插，將城內守軍分割，各個圍殲。到16時，十九師除五十七團三營外，已全部投入戰鬥，南三、二、一道街之守軍全部被肅清。二十師因與坦克分隊配合得不好，連續突擊3次均未成功，縱隊即命二十師迅速自十九師突破口跟進。
17時，五十七團二營越過東大街，攻佔了老縣政府(今原北五小學院)，五十六團主力殲滅了東門之守軍，兩部並肩向北進擊，五十五團三營和五十七團一營進至西門會師，五十五團一營和五十六團三營互相配合，直取大什字街口的指揮中心，殲滅了暫十八師師部和新八軍留守部隊，後向古塔方向發展進攻。此時，二十師也由東北角突入，城內大部守軍被殲。殘部約1個團的兵力退向城西北方向，繼續負隅頑抗，五十五團一營和三營，五十六團三營，五十七團一營展開猛烈攻擊，將其殲滅。至此，七縱隊在攻錦戰鬥中，共斃國民黨軍八十八師參謀長趙化龍以下3155人，俘國民黨軍26984人，繳火炮、坦克、汽車等一大批物資。
二縱隊四師十團接到配合攻城的命令，團命一營擔任一梯隊，二營和三營為二梯隊，團指設在三官廟附近的大車店內。一營三連首先發起衝擊，突擊班已登上城牆，但遭到守軍火力的猛烈射擊，部隊傷亡很大，指導員陸潤犧牲。隨後又組織二營六連攻擊時，師部通知，城內守軍已被殲滅，便停止攻擊。至此，錦州攻堅戰中，二縱隊共殲國民黨軍15279人，俘11485人，並繳獲槍、炮6338(支、挺、門)，汽車49輛，裝甲車6輛及大批軍用物資。
在縱深戰鬥中，炮兵與師和主攻分隊始終保持順暢聯絡，步兵不斷給炮兵賦予射向和目標，壓制了城內炮兵和攻擊目標。師配屬各團的山炮和各團配屬各營的炮兵，均伴隨步兵前進，直接支援戰鬥。在攻取老城戰鬥中，坦克一營的9輛坦克全部參加了戰鬥，一連3輛重型坦克在左翼攻打老城的東門。二連的6輛坦克在右翼攻打老城東門城牆上工事，掩護攻城部隊的行動。攻城開始後，一連的3輛坦克沿著城牆東門接近前沿，在距目標約30米處以準確的炮火摧毀了東門口的工事。
二連的6輛坦克沿著河溝旁前進，城牆下暗堡以火力阻擊，加之硝煙瀰漫，道路狹窄，3輛坦克不慎掉進溝里，這時董來扶駕駛的「老頭坦克」衝到城牆根，但也中彈負傷，他機智地駕駛著坦克，時快時慢繞著城牆走，炮擊暗堡，此時，坦克又連中幾彈，油壓表上的指針急速下降，機油散熱口被打壞，董來扶耳朵震聾了，兩眼直冒金星，他頑強駕駛著坦克堅持戰鬥，把城外邊的碉堡、火力點摧毀了，坦克分隊掩護步兵突破老城，一直衝到古塔前。戰後董來扶榮記一大功，還被評為全軍第一個坦克戰鬥英雄，出席了全國英模代表會議，他駕駛的「老頭坦克」被授予「功臣號」，現陳列在北京中國人民革命軍事博物館。
戰至17時30分，城內守軍全部被殲滅，其一部向城西北角外逃竄，被二十一師和攻佔飛機場的九縱隊二十七師八十一團堵截。老城戰鬥共斃國民黨軍979人，俘11650人，共計12629人及大批武器裝備物資，戰後五十五團一連榮獲「戰鬥模範連」稱號。
15日，蔣介石派飛機到錦州上空，用煙幕作顯示，打了一個圈便向南飛去，如此反覆三次，示意要守軍向錦西方向突圍。但為時已晚，經31小時的激戰，至15日18時，東北野戰軍攻克了錦州，守軍國民黨東北「剿總」錦州指揮所，冀熱遼邊區司令部，第六兵團司令部，第九十三軍軍部及所屬暫編第十八師、二十二師，第六十軍一八四師，新八軍軍部及所屬第八十八師、暫編第五十四師、暫編第五十五師，第四十九軍七十九師兩個團，東北「剿總」錦州指揮所特務團，第六兵團特務團，獨立炮兵第七團三營，獨立炮兵第十六團三營，獨立工兵第十二團一部，戰車三團(欠一營)，獨立汽車輜重第二十五團，獨立憲兵第六團一營，獨立通信第九團三營，遼西志願兵3個團，騎兵第一支隊，騎兵第二十六團，熱東挺進支隊等全部被殲；計擊斃國民黨軍1.9萬人，俘(含投降)約8萬人。
俘中將東北「剿總」副總司令兼錦州指揮所主任、兼冀熱遼邊區司令范漢傑，冀熱遼邊區副司令賀奎，第六兵團司令盧浚泉，副司令楊宏光，第九十三軍軍長盛家興等。俘少將30人，其中有暫編第十八師師長景陽、暫編第二十二師師長李長雄、第八十八師師長黃文徽、暫編第五十五師師長安守仁等。繳獲各種炮1121門，各種槍4.1萬支(挺)，擊毀飛機11架，繳獲飛機4架、坦克9輛、汽車(含裝甲車)258台，其他物資一批。攻城部隊付出了傷亡2．4萬人的代價。
錦州戰役的勝利，使東北野戰軍取得了戰爭的主動權，完全控制了北寧線，關上通向關內的大門，徹底動搖了東北國民黨的軍心，17日，長春守軍鄭洞國率第六十軍起義，19日，國民黨新七軍在長春宣布投降，21日，長春解放。
16日，東野前指以林、羅、劉、譚名義致電慰問攻錦參戰部隊：「錦州戰役，我已取得全部勝利，這一勝利是我攻錦部隊，從總攻開始後，以英勇神速動作，經31小時之激戰，即全殲錦州守敵共10萬人，開創了我軍攻堅戰迅速解決敵人的光輝戰例。我阻援部隊，頑強抗擊敵人由南向北6個師的猛烈增援，大量殺傷了敵人，使敵無法前進一步，保證了我攻錦部隊有充分時間進行攻錦準備，因而增加了攻下錦州之必然勝利條件，這一勝利是偉大的，給了敵人以沉重的打擊，將敵在東北之防禦體系完全打亂，造成我軍解放長春解放瀋陽以有利條件，望各部繼續奮發，連續打勝仗，爭取全東北之解放，我英勇犧牲的同志們永垂不朽！」
黨中央獲悉錦州大捷，17日，周恩來立即為中共中央起草賀電：
「林彪、羅榮桓、