蘭州戰役的第一次戰鬥，因為楊得志兵團不熟悉馬家軍的作戰特點和兇悍程度，以失利告終。
戰鬥停止後，馬步芳當即將蘭州防禦情況及我軍21日初戰受挫情況通報馬鴻逵，並催請他從速靠攏蘭州，配合戰鬥。然而馬鴻逵思慮再三沒敢真正前出，只是派兵在遠離戰場的北部地區走了個過場，並沒有東進截斷解放軍後路的意思，這傢伙不愧是狡猾的，這個時候東進，解放軍正是求之不得，結果沒有第二種，以寧夏兵團的實力，東出只有被殲一條路。比較起來寧馬還是有自知之明的。
只在挫敗解放軍21日進攻之後，馬繼援來到營盤嶺後面的皋蘭山主峰看了戰鬥現場，並給前線的部隊打氣，說了些必勝的套話。但是回蘭州後馬繼援得知胡宗南部出漢中試圖包抄的攻勢被解放軍打回，由此馬步芳、馬繼援不由得開始多慮起來。當天，馬步芳即離開蘭州去往西寧，應該說，青馬高層其實心裡還是多少有點數，在最初的輕狂之後，他們重新審視了戰場，自已的斤兩還是有些清楚的。有心打卻也做了跑的心裡準備，這樣的首鼠兩端也註定了最後的結局。
第一次進攻，雖然馬家軍守住了各山嶺，但是在交戰中守軍的工事和暗堡火力基本暴露，解放軍沒有攻下陣地一方面固然和守軍頑強有關，另一方面不可否認也是解放軍輕敵了，在趕到蘭州外圍的第二天即發起攻擊，對守軍的防禦火力缺乏偵察，同時炮火準備不足，以至對敵工事火力壓制和敵預設雷場和地形障礙破壞均不理想，單靠步兵衝擊效果肯定不會太好。
但是既然敵人火力配系已經暴露，解放軍各部隊也就沒什麼好說的，重新評估了各軍對面山嶺的敵情，藉助第一次攻擊中發現的敵人的火力點情況，重新有針對性的部署了炮兵，吸取了第一次進攻中炮火壓制不足的教訓，加強了重點地段火力配系，尤其是注意了對斷崖的破壞和側翼明暗堡的火力壓制。同時，在這三天裡各部隊也做了戰術細化的演練，可以說，經過認真準備之後，蘭州戰役的結果已經註定了。無論守軍犯不犯錯誤，在巨大的兵力火力差距以及雙方士兵不同士氣的落差下，解放軍取得勝利都是一種必然結果。
在三天的準備過程中，雙方的小規模交火始終沒有停止，這種小規模的交火主要集中在65軍的前沿，這一方面是解放軍的向前偵察和對敵保持壓力，另一方面也有青馬的火力試探。
然而繼8月21日戰鬥失利後，22日夜，沈家嶺方向在小規模交火中也出現了意外。
22日白天陰雨綿綿，沈家嶺下正面對敵的4軍10師28團的戰士修了一天的工事，又累又餓，到了夜裡很多戰士蜷縮在可以避雨的工事中沉沉入睡，崗哨也略有鬆懈，就在此時，沈家嶺上的青馬部隊下山發動了一次夜襲。28團構築交通壕的部隊被打了個措手不及，青馬部隊迅速衝入解放軍的前沿陣地，衝破了最前邊的三營防守並向縱深衝來，一時間槍聲大作，到處喊殺一片。
危急時刻，10師師長劉懋功急令30團一個營和29團兩個營分別從28團三營的左右兩側衝出，包抄夜襲敵人的後路，同時29團一個營配合28團從正面反衝擊，經過兩個小時激戰擊潰了夜襲的敵人。這次夜襲28團由於疏忽損失較大，全團傷亡了200多人，另有10多名戰士被俘，還被敵人虜去4 門迫擊炮。我們在包抄中圍住了100多個青馬的士兵，並在天亮後迫使其放下武器投降。
這一戰驚動了一兵團的前指，兵團司令許光達親自到10師師部瞭解情況，並下令將臨陣後退的28團三營長撤職，28團的團長也被處分，臨時留用戴罪立功。第二天天亮彭德懷再次向各部隊強調了戰場紀律，並告誡各部隊引以為戒。
困擾解放軍的還有一個問題，這也是自古兵家最重要的一個問題，就是糧食問題。解放軍從咸陽戰役後，除了在扶眉打了一大仗以外，從陝西基本是一路追過來的，部隊進展很快，尤其是這次，一兵團的部隊前出至蘭州，原以為可以在行進中拿下蘭州外圍，沒想到在蘭州停了三天，而這三天又連續陰雨，很多部隊隨身攜帶的給養不足。西北戰場和華北、華東不同，西北地處偏僻，人口較少，而且較貧瘠，不像華北華東大面積平原，物質基礎好、群眾基礎廣泛，以至於淮海戰役能有比參戰士兵還多的支前民工。西北戰場這是不可能的，很多部隊是隨身攜帶一定的口糧給養，所以在一攻蘭州受挫後，西野部隊和十九兵團的部隊都不同程度受到了糧食給養不足的困境。以至於沈家山當面的4軍的一些部隊只好就地購買附近農民還未收穫的地裡的土豆充飢。八月時節，地裡的土豆還沒長起來，買下的土豆很多隻有雞蛋大小，但是有總比沒有好，多少也能當個吃的補充一下。據戰後不完全統計，僅4軍沈家嶺的部隊就花了三千塊大洋包地買土豆，以解決部隊吃飯問題。說到這裡不由得不又讓我們想起後來的朝鮮戰場長津湖戰役沒有冬裝和五次戰役時部隊沒有夏裝和沒有糧食的慘狀，打仗啊，無論如何沒有後勤是萬萬不得了的大事，而我軍很多年戰時保障都是一個巨大的短板，希望這不再是一個痛，當然最不希望的是再有戰爭。
話歸正題，通過沈家嶺的夜襲，青馬從被俘戰士的身上搜出油印一個小本子，由此得知沈家嶺方向解放軍正在調整部署，並且在戰線後方加強了炮兵。得知此事山上青馬士兵的心情更沉重了，每個人都不知道自己在山上還能看到幾個日出，雖然整體上戰場是平靜的，但是平靜之下雙方的氣氛都很緊張。
從22日夜開始，沈家嶺上敵軍569團士兵就不斷聽到解放軍陣地上有施工的聲音，叮了桄榔，青馬的士兵更緊張了，不知道解放軍要幹什麼，幾夜忐忑的不敢睡覺，等待著將要發生的事情。
最後的大戰，血色的一天
在第一次進攻停止三天之後，25日，解放軍各軍捲土重來，西北戰場最大也是最後的決戰開始了。
25日凌晨二時，沈家嶺：
這次上陣的是4軍11師的31團，由於之前的進攻32團傷亡較大，所以4軍11師黨委決定，改由31團擔任正面主攻，32團從沈家嶺和狗牙山之間的山溝迂迴側攻。
31團以二營五連為先鋒，將全團的美製湯姆斯衝鋒槍都配屬給五連以加強火力，同時部隊多帶梯子和炸藥，以便儘快衝上斷崖。五連身後的跟進部隊輕裝多帶手榴彈，以便在五連取得突破後超越突擊連隊向縱深發展。同時，11師還將10門山炮悄悄推進到距敵500米處隱蔽，並瞄準了已知的敵人碉堡，現在一切都準備好了。
25日凌時二點，31團突擊隊利用暗夜，從出發陣地前出，沿著前幾天夜裡悄悄挖掘的向前延伸的交通溝，秘密接近嶺上第一防禦工事前的壕溝，前幾夜守軍聽到的叮了咣啷聲，就是解放軍在掘進坑道的作業。
突擊隊一點點移動到交通壕的最前端，然後依次躍出，向前慢慢貼進斷壁。在到達斷壁後，突擊部隊在其下敷設了幾十個炸藥包，然後突然起爆，由於炸藥當量很大，以至將守軍的防禦工事前斷壁的中間一段徹底被炸塌，藉助爆炸的硝煙, 解放軍突擊隊在炸塌的斜坡處迅猛衝上守軍防線，由於夜襲之前沒有進行炮火準備，馬家軍被打了一個猝不及防，戰線迅速陷入混亂。這時解放軍前出的10門山炮也直瞄射擊摧毀了第一道防線上還未攻佔的敵堡，同時防線縱深的解放軍炮兵開始猛烈射擊第二線防禦陣地，破壞守軍工事並壓制反衝鋒。
與此同時32團在團長馮有才、副團長馬克忠的帶領下，藉助暗夜掩護，悄悄進入沈家嶺西側山溝，冒險背對狗牙山敵人火力攀登西側陡峭的石山，竟意外找到一條小路，就在登頂的過程中，部隊意外觸雷使山頂守軍發現了夜襲，瞬間，槍聲大作，子彈和手榴彈從山頂傾瀉而下，32團一下子遭受不小傷亡，副團長馬克忠也中彈陣亡在峭壁下。部隊全部被壓在山腰的峭壁前，關鍵時刻，32團的戰士前赴後繼，冒著巨大的犧牲強行搭人梯仰攻，最終成功衝上山頂，並且迅速從守軍西邊側後向內卷擊。
這時正面攻擊的31團在突擊隊成功切入守軍第一線中央之後，由團長王學禮指揮2營在突擊隊身後從這個大缺口衝了進去向兩邊發展，擴大缺口，而1營則在2營身後進入，然後向深發展，企圖衝入第二道防線。
這時的態勢是敵人第一防線中間被突破，西側又有32團迂迴成功，向內卷擊，如果換成一般國軍部隊，肯定即刻崩盤，但是青馬的部隊相比戰鬥意識還是比較強，戰鬥力也高於其它西北國軍，青馬士兵在最初的混亂後，由連排長督促帶領，拿起馬刀衝出來和解放軍面對面白刃肉搏。馬家軍第一線守軍也是拼了命，雙方在第一道戰壕內短兵相接，一時間衝鋒槍聲四處響起，同時刺刀和馬刀激列的交鋒，金屬撞擊之聲不絕於耳，血光四處飛濺，。由於馬家軍人多，而且大多很多人也善於白刃，解放軍突入部隊一時不能擊潰敵人，但敵人也無力將解放軍趕出防線，不能重新恢復第一道防線。雙方在一陣血腥的拼殺後，在黎明前的暗夜中只能形成對壘。
天亮之後，馬家軍從狗牙山側後的預備隊緊急增調的一個下馬作戰的騎兵團投入逆襲，西側上山的32團遭到夾擊，被迫就地轉入防守，但馬家軍在多次軍官帶領進攻後依舊無法將解放軍重新趕下山，雙方在整個上午都陷入混戰的局面，戰線犬牙交錯的纏繞在一起。
青馬守軍569團的二個營長，均在天亮前後的戰鬥中陣亡，至上午十時第三個營長也在炮擊中陣亡。基層連排長更是十不存一，569團鑑於傷亡過於巨大而不得不撤下去整頓，陣地由清晨增援上來的第357師騎兵團，以及後來又陸續派來的另一些雜七雜八的部隊，如82軍工兵營、190師特務連以及工兵連接替。其357師師長楊修戎嚴令各部隊固守陣地，不能後退一步。上午時分由第357師政工處主任親自帶士兵進行了兩次反衝鋒，馬家軍士兵的戰鬥力相比西北的其它國軍確實要高出不少，高級軍官帶頭衝鋒的在以往的戰鬥中還是很少見到了，由此也可見沈家嶺對於蘭州戰役的重要。
解放軍方面至上午十一點左右，主攻的31團還有不到三百人可以繼續戰鬥，副團長段憲忠也在上午的激戰中身負重傷，據團參謀長事後回憶，31團在上午的戰鬥中，僅為了打退一次青馬部隊的反擊就消耗了從山下緊急送上來的3000枚手榴彈，由此可見戰鬥之激烈。11師在上午十時許，又投入了33團一個營增援了嶺上的31團，在解放軍佔有絕對優勢的炮兵火力面前，青馬的反擊常常是在發起時即遭炮火覆蓋，漫山遍野光著上身，拿著馬刀，喊著宗教口號的青馬士兵被炮彈撕成碎片。到中午時分，青馬部隊的多次反擊均未奏效。相反，解放軍在每次馬家軍反擊後都立刻發動逆襲，由此不斷將戰線向馬家軍的第二道防線推進。
中午一點左右，4軍前指決定投入10師的30團上嶺參戰，這個戰場的新銳成為徹底打折青馬守軍脊樑的殺手鐧。在30團投入戰場後，解放軍士氣大震，迅速控制了形勢，並逐漸攻入山頂第二道防線，山嶺南部的較高地勢全部為解放軍控制。青馬部隊在上午消耗了巨大有生力量後只能步步後退。而馬繼援在中午曾打電話到嶺上，詢問戰況，在得知戰事吃緊，傷亡巨大以後只淡淡的說了一句“知道了”，據事後倖存的青馬在沈家嶺上的指揮官回憶，當聽到馬繼援的這句話後大家都洩氣了，從語氣中大家已經聽出不祥之音。在這個電話後，馬繼緩再也沒有調動任何部隊上嶺投入反擊。從青馬高層來看，到中午時分內心已經放棄了，所以不再派部隊上嶺，這其實也是整場戰役青馬指揮系統的最大敗筆。因為即使想放棄蘭州撤退，也要讓東線山嶺守軍先下來，而拼命也要讓西線守軍死磕，哪怕填進去再多的部隊，西線也不能棄守，否則西線失守，解放軍從西邊直插蘭州市內西邊的唯一黃河鐵橋，所有東邊的部隊就全都完了。
到下午3點多鐘，沈家嶺上的青馬守軍集中了一個營的兵力發動了最後一次衝鋒，以試圖儘量恢復陣地。雙方在陣地上再一次進行慘烈的白刃格鬥，槍聲，喊聲，金屬撞擊聲，混成一片，新增援的30團成了定海神針，藉助兵力優勢解放軍徹底打垮了青馬守軍的最後一次集團反擊，青馬的士氣徹底崩潰。但解放軍也付出了巨大傷亡，30團團長王學禮在指揮部隊追擊時被炮彈彈片擊犧牲，之後不久30團政委李錫貴也在前進時中彈陣亡。
僅一個沈家嶺解放軍就犧牲了十三個團級幹部，其中包括31團團長王學禮、30團政委李錫貴、32團副團長馬克忠等13人，代價實在是太大了。
解放軍在青馬部隊的最後一次衝鋒後順勢發起反擊，並由此徹底佔領了沈家嶺南半部，由於南部比北部地勢高，青馬失守沈家嶺已不可避免。
晚5點鐘，解放軍在稍事修整後，以嶺上三個團的兵力發起全線衝鋒，青馬守軍基層軍官這時已經基本全都陣亡，剩下的士兵徹底崩潰，部隊一窩鋒的退下山嶺，向蘭州市內逃去，在山上督戰的357師師長楊修戎和190師參謀長在最後一道陣地上督戰，他們想用手槍制止陣地上的士兵後退，但潰敗的局面肯本無法挽回，沒有了基層軍官控制的士兵是不怕幾個拿手槍的高級軍官的，在崩潰面前，190師的參謀長和357師的師長也只能跟著跑下山嶺。
由此，經過十六小時激戰，沈家嶺被攻克，但是這個時候4軍在山上的三個團又一個營也已經筋疲力盡，部隊迅速轉入防守，加固陣地，抓緊搶救傷員，為防青馬的夜襲。
沈家嶺戰鬥，從8月25日凌晨2時到晚6時，激戰共持續了16個小時，青馬方面參戰兵力有第569團外加568團一個營，後續又增援了第357師一個下了馬的騎兵團，另外加上82軍直屬部隊特務連、工兵連,一共大約六千多人。在蘭州戰役結束後清點，屬於這些部隊的還有不到2000人，除了小部做了逃兵以外，大約有4000人倒在嶺上。
幾乎與沈家嶺戰鬥同時展開激戰的還有它旁邊的營盤嶺。
營盤嶺之戰：
早在抗日戰爭時期，國民黨軍隊就在營盤嶺修築了所謂的“國防攻事”，營盤嶺也因此成為兵援物資的集散地。解放蘭州戰役中，敵軍在此基礎上，又進行了幾個月的“苦心經營”，築起了3座鋼筋水泥碉堡，並設了八道防線。因此營盤嶺是蘭州“鎖鑰”之地。
營盤嶺是南北走向，最南面的高峰叫三營子，在它北面的山嶺叫二營子，再向北叫頭營子，頭營子後面則是最高鋒皋蘭山。
西北野戰軍第2兵團安排6軍攻擊營盤嶺，6軍的具體部署是17師50團擔負主攻任務，16師46團在其側翼佯攻。
1949年8月21日，6軍對營盤嶺發起攻擊，但是當天的攻擊只是打了最南邊的三營子，遭到了馬家軍的抵抗，沒有打下來。
在21日對營盤嶺攻擊失敗後，6軍經過三天的調整，改變了原有的部署，由原來只從南面進攻改成從東南和西南兩個方向成鉗形，同時進攻三營子。
其中在三營子西南，6 軍以17師50團擔任主攻、49團為預備隊；而在東南背向馬家山一側，6軍以16師46團擔任主攻、48團為預備隊。
17師是西野的頭等主力，其50團是17師的主力團，在西北戰場，17師是一個攻守兼備的部隊。21日攻擊沒有成功，17師上下都憋著一口氣。
25日凌晨，在略晚於沈家嶺戰鬥之後攻打營盤嶺三營子的戰鬥開始。6軍吸取了前一次進攻炮火壓制不夠的教訓，一上來就以前期繳獲的胡宗南部隊的30門105口徑的大炮轟擊西南方向的斷壁，因為西南方向在第一次攻擊後，在半山腰一直留有部隊和敵保持小規模交火狀態，目的就是為了後續進攻留一個有利的出發陣地，6軍的軍屬炮兵發揮了擁有的最大火力限度，猛烈轟擊守軍陣地，一時間整個營盤嶺西南側天崩地裂，地動山搖，這也配合了旁邊沈家嶺的進攻，使營盤嶺之敵不能策應沈家嶺方向。大約在二十分鐘炮擊後，在西南側突出位置的絕壁中間炸開了一個約5米寬的缺口，藉助炮火的掩護，17師50團迅速出擊從側面一舉攻入守敵一線陣地
與此同時，東南方向的46團也發起攻擊，但是46團沒有得到向50團一樣的強力炮火擊援，衝擊的4個連隊受阻於西南側的斷崖和碉堡群，這個方向由於地形複雜，無法用炮火直接摧毀側向的敵方火力點，4個突擊連隊被壓在東南邊的一處斷壁下，由於斷壁下地勢較平坦，被壓住的部隊一時受到不小傷亡。由於炮兵來不及調整射界，另一方面部隊衝擊距離斷壁過近，炮兵也無法再用火力轟擊斷崖了。
此時軍長羅元發十分著急，在電話中大聲命令17師50團團長劉光漢：“你要想盡一切辦法，迅速組織爆破!”
讓羅軍長沒想到的是，當他剛打完電話，爆破成功了。
原來時間緊迫，只能實行人工爆破。突擊隊7連接連派出數個爆破組均未成功，衝上去爆破的幾組戰士全數傷亡。關鍵時刻，7連指導員曹德榮親自拿起一個50斤的炸藥包，大喊一聲:“跟我來!”就首先衝了過去，身後的2個戰士也應聲跟了上去。在快接近峭壁時，在敵人的密集火力下，1個戰士犧牲了。然而曹德榮卻帶著另1個戰士衝到斷壁處，但斷壁被敵人削得如同牆壁，沒有支架，無法發揮炸藥的威力。面對無處安放炸藥包的絕壁，曹德榮果斷雙手托起炸藥包按在崖壁上，回過頭來向跟上他的那位戰士大聲命令道：“快拉火!”那個戰士聽了有些猶豫，曹德榮又果斷地大聲喊道：“我命令你拉火……”曹德榮以犧牲自我的方式手託炸藥包完成爆破，從而為衝擊部隊炸開一個小缺口，藉著這個缺口衝擊部隊奮勇衝入守軍一線陣地。
此時的態勢是西南面17師50團和東南面16師46團均已突入一線敵陣，戰線內殘存的青馬士兵紛紛赤膊，揮起馬刀，不要命的衝向解放軍，只見滿山遍野的敵軍士兵光著膀子，穿著短褲，肩背火槍，手提馬刀，在指揮官監督下狂叫著反覆反撲，在凌晨的暗夜中雙方士兵以命相博。青馬部隊的守軍很多人常年行伍，善於格鬥，所以在面對解放軍已經優勢兵力衝入陣地時，還敢拿刀來肉搏，不得不說確實非常兇悍。
在第一道防線激肉搏近戰時，敵人第二道防線也迅速組織反撲，雙方從清晨一直打到上午十點左右，解放軍終於在第一道防線站穩腳跟，但是兩個團的幾個前鋒連隊都付出了巨大代價。
為了加強進攻，17師在50團攻擊的左側又展開了51團投入進攻，三個團的部隊從第一道防線出發衝擊守軍第二道防線，由於青兵官兵在反擊第一線陣地時消耗了不小兵力，所以經不住解放軍三個團的衝擊，經過大約一個小時激戰，第二線防禦陣地也被解放軍攻克。
至此經過兩次大的進攻，部隊攻克了三營子的二條防線，只剩下最高處的核心工事碉堡群，由於攻擊部隊此時傷亡較大，很多連隊傷亡過半。尤其是50團，它的一營和三營的連排幹部基本全部傷亡，三營突前的7連甚至只剩下不到十個人。由此6軍前指決定暫停停止進攻一個小時，重新補充新銳力量投入戰場。大約在午後1時，6軍將其下屬的9團也調上來投入戰鬥，四個團在炮火掩護下開始攻擊三營子頂峰青馬守軍的最後陣地，雖然有強大的炮火支援，但是由於地形不利，守軍拼死頑抗，最後的戰鬥仍然又進行了三個小時，到下午4時，各部隊逐漸攻入三營子核心陣地，雙方在核心陣地內再度激列近戰，在不怕犧牲而且擁有優勢兵力西野主力面前，青馬部隊逐漸崩潰，三營子到下午五點左右被解放軍徹底攻克。
三營子丟失以後，敵248師師長韓有祿曾命令進行反擊，敵出動了2個營的兵力，從二營子方向反撲，但攻擊相對無力，解放軍保住了戰鬥成果。打退了青馬對三營子的反撲。
傍晚，營盤嶺方向的戰鬥暫時沉靜下來。解放軍由此轉入防守，以備敵人夜襲。
營盤嶺的戰鬥據事後解放軍17師師長回憶，“在戰鬥結束後的第二天天亮，我登上了三營子主戰場，環顧四周，放眼望去，到處都是雙方士兵的遺體，各種打壞的槍和馬刀橫七豎八的擺在四處，很多山石上大片的血漬和斷肢。”
事後統計，馬家軍在山上遺屍大約有1500具左右，而這其中發現大約30人左右是被馬刀砍死在三營子下坡處，這些人都是被馬家軍的督戰隊執行戰場紀律殺死的，由此可見，馬家軍的兇狠。
而為了解放蘭州，解放軍方面不算16師的部隊，僅17師就傷亡了1200多人，其中主攻團傷亡近800，代價不可謂不大。
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