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第一野战军三路大军包围兰州并且击破敌一翼后，胡宗南并未出兵解兰州之急，援兰州的宁马被我第六十四军钳制在海原不得前进，实际上形成了青马孤军困守兰州的局面。
8 月23日，中央军委指示第一野战军首长：“马步芳既决心守兰州，有利于我军歼灭该敌。为歼灭该敌起见，似须集中三个兵团全力于攻兰战役。
王震兵团从上游渡河后，似宜迂回于兰州后方，即切断兰州通青海及新疆的路并参加攻击，而主要是切断通新疆的路，务不使马步芳退至新疆，为害无穷。攻击前似须有一星期或更多时间使部队恢复疲劳，详细侦察敌情、地形和鼓动士气，作充分的战斗准备，并须准备一次打不开而用二次、三次攻击去歼灭马敌和攻占兰州。“
彭德怀根据中央军委的指示精神，精心准备再次攻击兰州。
23日，他急匆匆地来到猎嘴岭第十九兵团指挥部。
兵团司令员杨得志、政委李志民向他报告：“十九兵团部队的历史上还没有遇到过这样的情况，攻敌几个阵地，一天多没拿下一个。军、师、团的干部都很憋气，觉得非出这口气不可。”
彭德怀说：“部队试攻受阻，主要原因是轻敌，次要原因是敌工事坚固，敌人顽强。这次试攻是我决定的，时间仓促，部队准备不够。不过通过这次试攻也达到了了解敌人的目的。你们要告诉部队沉住气，总结经验，仔细研究敌人，扎扎实实地做好准备工作，待命向敌人发动总攻。”
当时，第一野战军有的干部仍认为，当前形势已是“秋风扫落叶”，马步芳未必会固守兰州。彭德怀再三提醒说：马步芳、马继援都是反动透顶的家伙，他们就象输红了眼的赌棍，把最后一点赌注全押在兰州。我们部队大部分还没同他交过手，不是有个“困兽犹斗”的成语吗？对敌人切勿疏忽大意。马军惯打反扑，在占领敌阵地后，改造工事未完成时，最须注意。
他还意味深长地说：“兰州这一仗打好了，西北可以早一点解放。打不好，让敌人跑掉，我们就是对人民犯罪。”
我军经严密侦察，判断敌人主力集中在南山，而东西两翼薄弱，北面的黄河铁桥是敌人唯一退路。这样，占领南山就成为攻打兰州的重点，而能否夺取黄河铁桥是能不能全歼敌人的关键。
围绕这一重点和关键，彭德怀适当调整了作战部署。
8 月24日21时，彭德怀向中央军委报告：“二兵团、十九兵团攻城准备工作已妥。疲劳尚未恢复，粮食不足，油、菜更难解决。青马军不断反袭，故很难得到休息。以现在的准备工作看，攻占兰州有六七成把握，故决定在25日晨开始攻击。”
毛泽东在26日复电：如25日攻城得手，则局势起了变化。如不得手，则作为侦察性质之作战，按来电确定先打援，后攻城。
第一野战军作了充分准备后，于25日拂晓发起总攻。
敌军坚固工事一个个被突破。经过异常激烈的战斗，沈家岭主阵地上的上、下狗娃山，首先被第四军攻占。下午，第六军攻克了南山最高峰营盘岭的主阵地三营子；六十三军攻占敌另一主阵地豆家山。六十五军于黄昏占领古城岭、马架山。至此，兰州的“锁钥”已全部掌握在我野战军手中。
在战斗中，敌军指挥官用机枪和大刀督战，连续向野战军发起反冲击。
进攻部队每攻占一条壕沟，攀登每一道削壁，夺取每一个阵地，都需经过艰苦的战斗和反复的争夺，并用刺刀同敌人肉搏。
敌人在皋兰山主峰营盘岭的工事最强。第六军十七师五十团冲到该阵地第一道削壁时，未及时炸开突破口，并遭敌钢筋水泥暗堡火力猛烈射击，几次爆破和攻击均未成功。
只见七连指导员曹德荣挺身而上，抱起炸药包，趁着手榴弹升起浓烟雾之际爬到削壁下，身贴崖壁，手托炸药包炸开了缺口。这位舍身炸削壁的英雄，用自己的身体开辟了前进的通道。
随后，攻击部队又突破第二、三道削壁，在友邻第十六师的密切配合下，胜利地攻占了三营子阵地和皋兰山主峰营盘岭。
沈家岭是沈家坪上一个馒头形状高地，东侧坡度不大，一直延伸到兰阿公路边，生长着一些杂草灌木；西侧是红色岩石的绝壁；北面是一片白土开阔地；南面有一个高地，与沈家岭高地形成了一个马鞍形。敌人把沈家岭高地筑成一个大圆形堡垒，设有三道防线。在扼守交通要道的阵地前，除布雷外，还设置了鹿砦、铁丝网等障碍，并在阵地上堆放了许多在汽油筒内装有炸弹的“飞雷”。守敌在两高地间的马鞍部，挖成一条长100 多米，宽20多米，深10多米的战壕。
为了争夺沈家岭，我军与敌军展开了一场血战。
下面是守卫该阵地的敌第一九○师参谋长李少白回忆沈家岭战斗的一个场面：25日凌晨2 时，解放军攻击开始了，来势很猛。原来这几天，正面的解放军，利用夜晚，接近我前沿阵地战壕下，埋好了炸药，我方守军没有发觉。
所以攻击一开始，我方阵地就被炸开一个大缺口，解放军从这缺口冲进来。
这种出其不意的攻击，使守军措手不及，一度陷于混乱。经过一阵冲杀后，才稳定下来，双方形成尖锐的对峙。这个缺口，在解放军强大火力下无法修补，成为第一九○师阵地的致命伤。解放军打开正面缺口后，同时又向东西
两翼迂回包围我阵地。天拂晓时，整个阵地被包围，战斗十分激烈。
25日是战斗最激烈的一天，但这一天并不是“日月无光”的战争天气，而是一个万里无云的秋天。大自然彼我无私，晴朗的天气，能见度高，对双方射击都有利，命中率高。这样双方的伤亡，也就更大了。在这紧张的关头，我们很希望来几架飞机，在解放军的阵地上轰炸一下，也能助助我们的威，使我们换一口气。
飞机终于盼来了，但只有一架，令人失望的是它在高空，嗡嗡地盘旋了几转，没有投一枚炸弹，便溜走了。
解放军攻势，越来越猛，沈家岭上，炮声隆隆，烟尘滚滚，官兵伤亡重大。这时，除我们右翼的狗娃山暂时无战斗外，左翼的东岗坡，三台阁，都和我们一样处在硝烟弥漫中。我们的预备队，早已用完，需要援兵。但这时马继援已决定要逃跑，不再向山上增援了。
到太阳快落山的时候，解放军的攻势，更加猛烈，我们已渐渐失去还击能力，阵地已被解放军分割包围，各阵地间的电话线路早已中断，阵地内短兵相接，一片混战。
这时，突然约有一班解放军士兵，前面一个战士扛着一面红旗，从我们右前方冲过来，接着各阵地的解放军，也都发起了冲锋，我方士兵们纷纷向后逃跑。
这时我与师长杨修戎等在最后一道阵地上督战。我们想用手枪制止阵地上的士兵后退，但没有一个人听指挥了。我们也趁机跟着他们逃出阵地。我看看四周和我们一块逃跑的人已是寥寥无几。
这约一班兵力的解放军，跟在红旗后，并没有对我们射击。我们沿着公路向坪下跑，他们向着坪的前沿前进，红旗在晚风中飘荡，胜利属于解放军了。
在兰州鏖战之际，我野战军左路第一兵团于8 月22日解放了临夏。马步芳深感后方空虚，老巢危急，不得不由兰州抽调骑兵第八、第十四师回援西宁。
马步芳急派亲信赴宁夏求援，但马鸿逵为保存实力，虚与委蛇。
马步芳又于24日急电国民党政府：请火速分催陕署、宁夏友军行动，也是没有回音。
求援无望，保命要紧，保住老巢要紧，马步芳决定当天自兰州飞回西宁。
他行前叮嘱其子马继援说：“如马鸿逵、胡宗南及空军再不来援，则迅速撤守青海。”
可他不知，在兰州作战的同时，担任钳制任务的我第十八兵团，乘胡宗南集团的第三十六、第三十八、第六十五、第一军向西和、宝鸡、虢镇进攻之机，命第六十、第六十一军向敌展开猛烈反击，先后歼敌3700余人，迫敌南撤。
我第六十四军在海原地区钳制住了宁马集团的增援，使其先头部队到达海原以北后不敢前进。
25日下午，那个发誓“与兰州共存亡”，嚣张一时的“马家军”总指挥马继援，秘密从阵地上撤走部队，趁夜幕降临之际，想通过黄河铁桥退至北岸。
敌人的企图被我第二兵团三军七师首先发觉，他们一面报告上级，一面发起追击。
26日凌晨，我军攻占西关，抢占铁桥，堵死了敌军的唯一退路。经过巷战，我野战军于当日中午肃清了城内残敌，并越过铁桥占领白塔山。
马继援仓皇逃出兰州城。他以及他的马家军在当时逃出的狼狈样，被一位国民党官员如实记载下来：25日，我在永登见到马继援仅带少数随从，自红城子方面蹒跚而来，光头鹄面，状极狼狈。
见面时他哽咽落泪，语不成声，半晌才说出：“我以为第一○○师还完整，不料也完全损失了。”
他随即赴永登西北地区陆续收集残兵败将，约得五六千之众。其中，仅有原在兰州至河口北岸担任守备的三个骑兵团尚称完整，由韩有禄率领，在秦王川担任收容掩护任务。剩下的多系老残勤杂，其中有一部分是不久前由甘肃保安团队拼凑来的甘籍官兵。马继援对这些部队极不信任。
马继援原想收集残余，逃奔京州（武威），与新疆骑兵第五军马呈祥部会合，作最后挣扎。后闻西宁紧急，其父已逃离西宁，并连续接到西宁方面电，催彼从速返青，乃遣散已收容的全部官兵，自率少数亲信，仓皇从小道向青海逃去。
当我们由永登向古浪撤退时，只见马部官兵，不成队伍，数十成群，络绎不绝地沿公路朝东向河口走去。我们感到诧异，问彼何往？
他们回答说：“马家不要我们了，我们回家去。”
就这样，被国民党倚为金城汤池的兰州宣告解放。这是西北解放战争�