戰役部署爲：由鄭維山、胡耀邦指揮的3縱從市西南方向擔任主攻；由曾思玉、王昭指揮的4縱從市東北方向擔任主攻；由唐延傑、王平指揮的冀晉軍區部隊從市西北方向助攻；由周彪、李天煥指揮的冀中軍區部隊從東南方向助攻；由高存信、李呈瑞指揮的炮兵旅配合3、4縱進攻；由陳正湘、李志民指揮的2縱和其他部隊在外圍阻擊敵人的增援。
11月1日以野戰軍司令員楊得志的名義，向各部隊下達了戰鬥任務。同時，晉察冀邊區黨政軍民積極投入支援解放石家莊作戰的各項準備工作。
11月5日夜，攻城部隊南渡滹沱河向石家莊開進，以隱蔽和突然動作，包圍了石家莊和外圍各據點。
6日拂曉，全線發起攻擊，3縱佔領了留營、大小談村、西三教等村；4縱佔領了柳林鋪、柳辛莊、談固、北宋、方北等村；冀中部隊佔領了尖嶺、東崗頭，冀晉軍區部隊佔領了大小安舍和大郭村、大馬村、西三莊各點，幷包圍了飛機場。
7日晨，冀晉軍區獨立第1、第2旅一舉攻克大郭村飛機場，殲滅國民黨保安9團1營。
8日晨，4縱連續突擊，攻克了國民黨軍自吹的“鐵打的雲盤山”。至此，石家莊外圍的國民黨軍被全部肅清。
同時，野戰軍炮兵擊中發電廠，斷絕了市區及內、外市溝電網的電源。國民黨軍修築的30公里的外市溝、15公里的內市溝和25公里的環市鐵路，蜿蜒盤繞石家莊。溝外地勢平坦，無一掩體，接近國民黨軍十分困難。
在廣大民兵、民工的協助下，攻城部隊於11月6日晚開始進行土工作業，改造地形。至8日晨，交通壕已延伸到距外市溝不足百米處，隱蔽坑道已接近外市溝前沿。
8日16時30分，對外市溝發起全線總攻，各部隊在強大炮火掩護下，用坑道爆破和強行突破的辦法，從四面突破外市溝。3縱7旅首先從西兵營突破，攻克西焦、城角村和農業試驗所，殲滅國民黨守軍一部，擊毀鐵甲車1列；3縱8旅突破外市溝陣地後，攻佔振頭鎮、西里村；4縱10旅由雲盤山以西突破，攻佔義堂村、花園村及八里莊，殲保定“綏靖”公署獨立團主力；4縱12旅在北宋附近突破，攻佔範談村；冀中軍區獨立第7、第8旅攻佔東三教、槐底村；冀中軍區獨立第1、第2旅包圍北焦等據點。
戰至9日晨，內外市溝之間除北焦、元村、彭村等據點外，全部被攻克。10日16時，攻城部隊強大炮火向內市溝防線猛烈轟擊。18時各部隊先後突破內市溝。
3縱8旅率先爆破成功，從西面突破，經反覆爭奪，攻佔西南兵營、東里村，殲國民黨守軍96團主力。4縱10旅29團1連、6連從東面突破後，連續打退國民黨守軍94團在坦克掩護下的7次反撲，鞏固了突破口，並迅速向鐵路以東市區發展，掩護主力部隊順利推進到中正路（今中山東路）。
晉察冀野戰軍3縱、4縱和其他部隊也相繼突破國民黨軍陣地，佔領了復興路（今新華路）、大興紗廠等地。冀中、冀晉軍區部隊殲元村、彭村、北焦國民黨守軍。
10日、11日，擔任第二梯隊的4縱11旅、3縱9旅相繼加入戰鬥。石家莊市的主要街道及市中心鐵路兩側的建築物上，均有國民黨守軍工事，其中以火車站、大石橋、正太飯店爲最堅固，稱爲核心工事，國民黨軍指揮部就設在這裡。
從10日23時起，攻城部隊與國民黨軍展開了激烈巷戰。各部隊勇猛穿插，分割圍殲，殲滅國民黨守軍大部，並將國民黨守軍殘部壓縮於火車站、大石橋和正太飯店一帶核心陣地內。後利用破牆連院、穿插分割、側後爆破等方法，打得敵人棄陣而逃。
到11日夜，經過20多小時的激戰，市區大部被攻城部隊佔領。11月11日夜，街巷戰鬥結束。在國民黨軍核心工事頑抗的只有32師師部和95團殘部。
12日晨，晉察冀野戰軍調整部署。11旅炸燬鐵甲車後，利用繳獲的坦克向國民黨守軍核心陣地發起衝擊，攻佔火車站和正太飯店。
接着，3縱主力從西面和南面，4縱從東面和北面，冀晉軍區部隊從西北面，向國民黨守軍指揮中心大石橋發起攻擊，激戰至中午12時，國民黨軍停止反抗，全部向攻城部隊繳械投降。
經過晉察冀軍區部隊6晝夜的浴血奮戰，石家莊宣告解放。此役活捉國民黨第3軍32師師長、石家莊警備司令劉英，全殲國民黨守軍2.4萬餘人，繳獲大批彈藥、物資。石家莊解放後，冀中軍區部隊乘勝攻擊石家莊外圍孤立據點元氏縣城。
12月3日晨，攻城部隊佔領元氏城，國民黨第5保安團團長魏永和及部下1553人被擊斃，3400餘人被俘虜。至此，石家莊全境解放。
華北重鎮石家莊的解放,不僅開創了“奪取大城市的範例”,爲以後城市接管提供了樣本,而且爲中共中央移駐西柏坡創造了重要的安全保障;極大地鼓舞了我軍在各個戰場的戰鬥士氣，華北之敵被迫龜縮在了平津保三角地帶，使我晉察冀和晉冀魯豫兩大解放區連接在了一起。
同時,解放後的石家莊,經濟生產得到迅速的恢復和發展,成爲支援全國解放戰爭的大後方,爲解放戰爭的最終勝利作出了重要貢獻。石家莊成爲了中國人民解放軍攻克的第一座大城市。也意味着,20多年來,一直堅守在農村鬧革命的中國共產黨,開始接管城市。
石家莊由此成爲中國共產黨管理城市的試驗田,爲黨的工作重心從農村向城市轉移,提供了十分有價值的經驗和模本。石家莊解放後，蔣介石一天不吃不喝，蔣經國無奈來找趙繼統幫忙勸慰。
趙繼統拿出了47年6月毛**說的一段講話“蔣介石兩個拳頭（指陝北和山東）這麼一伸，他的胸膛就露出來了。所以。我們的戰略就是要把這兩個拳頭緊緊拖住，對準他的胸膛插上一刀。”
蔣介石不知何意···