對蘭州戰役，毛澤東及中央軍委予以了高度關注。在蘭州戰役前後的十幾天內，彭德懷幾乎每天都向軍委和毛澤東報告前線情況，毛澤東也多次複電指示。
8月23日，毛澤東指示：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，須集中3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通新疆的道路並參加攻擊，而主要是切斷通新疆的道路，務不使馬步芳退至新疆，貽害無窮。攻擊前似須有一星期或更多時間使部隊恢複疲勞，詳細偵察敵情、地形和鼓舞士氣，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。
看到毛澤東的指示，彭德懷確有茅塞頓開之感。他遵照毛澤東指示立即調整了部署，並設想了可能出現的最困難的情況。
然後於24日報告毛澤東：以現在準備工作看，攻城已有七八成把握，故決定在25日晨開始攻擊。1949年8月25日凌晨，雨過天晴。蘭州城內外，一片漆黑，點點繁星，在天空中閃閃發亮。習習微風吹來，使人感到陣陣涼爽。南山上下，靜謐異常，連稀疏的槍聲也聽不見。經過幾夜的襲擾，敵人已經疲憊不堪，眼下可能正蜷縮著身子，做著黃粱美夢呢。他們何曾想到，在這靜靜的南山下，千萬個戰士殺敵復仇的火焰正在熊熊燃燒！
6時30分，突然，兩顆紅色信號彈騰空而起，總攻開始了！剎那間，整個大地發出驚天動地的巨響，一條條火舌飛向敵人陣地。在炮火掩護下，我全線各個突擊隊，經過猛烈衝鋒，在火光彈雨中突破了敵人的前沿陣地。突擊部隊和爆破隊協同動作，密切配合，且戰且進，擊退敵人一次又一次反撲，我軍一步又一步地向前推進著。
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4軍攻佔。下午，第6軍攻克了南山最高峰營盤嶺的主陣地三營子；63軍攻佔敵另一主陣地豆家山。65軍於黃昏佔領古城嶺、馬架山。
至此，蘭州的「鎖鑰」已全部掌握在野戰軍手中了。在戰鬥中，敵軍指揮官用機槍和大刀督戰，連續向野戰軍發動反衝擊。進攻部隊攻佔每一條壕溝，攀登每一道峭壁，奪取每一個陣地，都經過艱苦的戰鬥和反覆的爭奪，多次拼刺刀，同敵人肉搏。
皋蘭山的主峰營盤嶺，敵之工事最強。當6軍17師50團衝鋒到第一道峭壁時，突破口未被炸開，敵人憑藉鋼筋水泥暗堡拚命抵抗，幾次爆破和攻擊均未成功。這時7連指導員曹德榮挺身而上，抱起炸藥包，趁著手榴彈升起濃煙霧之際爬到峭壁下，身貼崖壁，手托炸藥包炸開了缺口。
這位捨身炸峭壁的英雄，以自己的身體開闢了前進的通道。隨後部隊又突破二、三道峭壁，在16師密切配合下，勝利地攻佔了三營子陣地和皋蘭山主峰營盤嶺。後來彭德懷多次談到：打蘭州是一場惡戰，是艱巨的攻堅戰。有的團一千五六百人的建制，戰鬥結束時只剩下幾百人。這些戰鬥英雄們為了人民事業，粉身碎骨，英勇的自我犧牲精神，永遠值得我們學習和懷念。
在蘭州鏖戰之際，野戰軍左路第1兵團於8月22日解放了臨夏。馬步芳深感後方空虛，老巢危急，不得不由蘭州抽調騎兵第8、第14師回西寧，同時急派親信赴寧夏求援。但馬鴻逵為保存實力，虛與委蛇。
馬步芳又於24日急電國民黨政府：請火速分催陝署、寧夏友軍行動。並於當天自蘭州飛回西寧。行前叮囑其子馬繼援：如馬鴻逵、胡宗南及空軍再不來援，則迅行撤守青海。這時蘭州的南山陣地均被攻佔，青馬軍傷亡慘重，城中沒有預備隊，寧馬和胡宗南的援兵一個也沒有來。
25日下午，那個發誓「與蘭州共存亡」，囂張一時的「馬家軍」總指揮馬繼援，秘密從陣地上撤走主力，趁夜幕降臨之際，想通過黃河鐵橋退至北岸。
第2兵團3軍7師首先發覺敵人開始逃走。他們一面報告上級，一面發起追擊。26日凌晨，攻佔西關，搶佔鐵橋，堵死了敵軍的唯一退路。經過巷戰，野戰軍於當日中午肅清了城內殘敵，越過鐵橋佔領白塔山，被國民黨倚為金城湯池的蘭州宣告解放。西北解放戰爭史上規模最大、戰鬥最激烈的一次城市攻堅戰，西北戰場上最後的一次大戰役勝利結束。青馬主力基本上被消滅。
蘭州解放，分割了西北國民黨軍各部的聯繫。彭德懷決定不給敵人以喘息機會，猛追窮寇，全部乾淨殲滅之。接著部署野戰軍左路先取西寧，右路奪取寧夏，中路進軍永登，沿河西走廊逐次解放武威、張掖、酒泉等城，然後進軍新疆。
9月5日，王震率第1兵團解放青海省會西寧。馬步芳等人逃往香港。青馬集團被徹底解決。
野戰軍第19兵團在蘭州解放後稍事休整，即揮戈北上，進軍寧夏。