故决定在二十五日晨开始攻击。如果未解决青马，而宁马援军迫近时，即以四个军围困兰州，集结五个军打宁马。毛主席接到彭总报告后，二十六日电复彭总，指出：如你们二十五日攻兰州得手，则局面起了变化。如不得手，则为侦察性质的作战，全军将因此种流了血的侦察战获得有益的教训，而确定了再战的胜利。如二十五日不得手而宁马来援，则请照你们二十四日电的决心，确定先打援、后攻城。

    经过二十三日、二十四日两天的准备，部队深入进行了政治动员，认真检讨了经验教训，仔细地侦察地形，反复地摸清道路，进行了沙盘作业，开展了军事民主，发动群众研究攻击敌人的战术，组织力量挖交通沟改造了地形，并动员一切人力、畜力和交通工具运送物资器材。这些准备工作是在克服了重重困难，争分夺秒、夜以继日地努力中完成的。二十四日，下了一整天雨，整个大地笼罩在云雾和蒙蒙细雨之中，这倒便利于我军进行准备工作，可是大家都希望这种阴雨天气不要持续下去，以免影响我军的总攻。到了夜晚，果然雨停云散，天空异常清澈透明，真是天公作美，给了我们这样一个好天气。大家开玩笑说：“马步芳作恶多端，激起了天怒人怨，老天爷也来帮助我们消灭他了。”

    二十五日拂晓，我军向兰州发起总攻。在猛烈炮火的掩护下，步兵勇猛地冲向敌人的阵地。经过激烈的搏斗，二兵团第四军首先攻占了沈家岭主阵地上的中、下狗娃山。下午十七时，第六军攻克了南山最高峰营盘岭主阵地三营子。在我兵团范围内，第六十三军之一八九师于十六时攻占敌主阵地豆家山，第六十五军之一九三师于当晚攻占古城岭、马架山。战斗中，敌军指挥官用机枪和大刀督战，连续向我发动反冲击。我军攻占敌人每一道壕沟、每一道峭壁和每一个阵地，都经过了艰苦的战斗和反复的争夺，并多次拼刺刀，同敌人肉搏。

    坐镇兰州的马步芳得知我一兵团占领临夏的消息以后，因完全出乎其意料之外，顿时惊恐万状，深感后方空虚，西宁老巢危急，遂急令骑兵第八旅和数个骑兵团窜回青海，增强西宁防御。同时，对马鸿逵、胡宗南按兵不动，使自己孤军困守兰州极为不满。八月二十三日，特派马骥急飞宁夏求援。八月二十四日又以十万火急电国民党中央政府：“窜洮河西岸临夏附近之共军第一军、第二军，刻正向永靖、循化进犯，患在腹心，情况万急！如陕署、宁夏友军及空军再不迅速行动协歼，深恐兰州、西宁均将震动。千钧一发，迫不及待！务请火速分催，不再迟延。”

    当日，马步芳自兰州乘飞机仓惶逃回西宁，又于二十五日从西宁逃重庆。逃离兰州时，马步芳叮嘱其儿子马继援：如马鸿逵、胡宗南及空军再不来援，即保存实力，撤守青海。二十五日我军向兰州发起总攻后，兰州敌军总指挥马继授仍梦想以拼死坚守挫败我军的进攻，争取时间，等待宁马、胡宗南和空军出动。当日下午，据守兰州城郊的敌军主力伤亡惨重，阵地相继失守，城中又没有预备部队，等待宁马、胡宗南和空军来援无望，随即对坚守兰州失去信心，又深恐我军向西宁乘虚而入，剿其老巢，断其退路，于是慌张地决定撤出兰州，退至黄河北岸，重新部署部队。十六时，敌西北军政长官公署和各部队开始向黄河北岸撤退。青马的主力大都在阵地上，因怕我军发觉，不得不利用天黑夜暗，秘密撤走。由于敌人在危急情况下才被迫仓促决定撤退，因而一开始就陷入一片混乱。

    当夜，我军继续向敌人发动攻击时，发觉敌人逃走，立即发起追击。二兵团之第三军首先攻入城内，和敌军展开巷战。一部向黄河铁桥猛扑，消灭了顽抗的敌人，夺取了黄河铁桥，截断了敌人的唯一退路。撤出南山的敌军主力正在城里集中，当即被我歼灭。此时，第六军也已攻入城内，我兵团之六十三军、六十五军追击二十余里