战役部署为：由郑维山、胡耀邦指挥的3纵从市西南方向担任主攻；由曾思玉、王昭指挥的4纵从市东北方向担任主攻；由唐延杰、王平指挥的冀晋军区部队从市西北方向助攻；由周彪、李天焕指挥的冀中军区部队从东南方向助攻；由高存信、李呈瑞指挥的炮兵旅配合3、4纵进攻；由陈正湘、李志民指挥的2纵和其他部队在外围阻击敌人的增援。
11月1日以野战军司令员杨得志的名义，向各部队下达了战斗任务。同时，晋察冀边区党政军民积极投入支援解放石家庄作战的各项准备工作。
11月5日夜，攻城部队南渡滹沱河向石家庄开进，以隐蔽和突然动作，包围了石家庄和外围各据点。
6日拂晓，全线发起攻击，3纵占领了留营、大小谈村、西三教等村；4纵占领了柳林铺、柳辛庄、谈固、北宋、方北等村；冀中部队占领了尖岭、东岗头，冀晋军区部队占领了大小安舍和大郭村、大马村、西三庄各点，并包围了飞机场。
7日晨，冀晋军区独立第1、第2旅一举攻克大郭村飞机场，歼灭国民党保安9团1营。
8日晨，4纵连续突击，攻克了国民党军自吹的“铁打的云盘山”。至此，石家庄外围的国民党军被全部肃清。
同时，野战军炮兵击中发电厂，断绝了市区及内、外市沟电网的电源。国民党军修筑的30公里的外市沟、15公里的内市沟和25公里的环市铁路，蜿蜒盘绕石家庄。沟外地势平坦，无一掩体，接近国民党军十分困难。
在广大民兵、民工的协助下，攻城部队于11月6日晚开始进行土工作业，改造地形。至8日晨，交通壕已延伸到距外市沟不足百米处，隐蔽坑道已接近外市沟前沿。
8日16时30分，对外市沟发起全线总攻，各部队在强大炮火掩护下，用坑道爆破和强行突破的办法，从四面突破外市沟。3纵7旅首先从西兵营突破，攻克西焦、城角村和农业试验所，歼灭国民党守军一部，击毁铁甲车1列；3纵8旅突破外市沟阵地后，攻占振头镇、西里村；4纵10旅由云盘山以西突破，攻占义堂村、花园村及八里庄，歼保定“绥靖”公署独立团主力；4纵12旅在北宋附近突破，攻占范谈村；冀中军区独立第7、第8旅攻占东三教、槐底村；冀中军区独立第1、第2旅包围北焦等据点。
战至9日晨，内外市沟之间除北焦、元村、彭村等据点外，全部被攻克。10日16时，攻城部队强大炮火向内市沟防线猛烈轰击。18时各部队先后突破内市沟。
3纵8旅率先爆破成功，从西面突破，经反复争夺，攻占西南兵营、东里村，歼国民党守军96团主力。4纵10旅29团1连、6连从东面突破后，连续打退国民党守军94团在坦克掩护下的7次反扑，巩固了突破口，并迅速向铁路以东市区发展，掩护主力部队顺利推进到中正路（今中山东路）。
晋察冀野战军3纵、4纵和其他部队也相继突破国民党军阵地，占领了复兴路（今新华路）、大兴纱厂等地。冀中、冀晋军区部队歼元村、彭村、北焦国民党守军。
10日、11日，担任第二梯队的4纵11旅、3纵9旅相继加入战斗。石家庄市的主要街道及市中心铁路两侧的建筑物上，均有国民党守军工事，其中以火车站、大石桥、正太饭店为最坚固，称为核心工事，国民党军指挥部就设在这里。
从10日23时起，攻城部队与国民党军展开了激烈巷战。各部队勇猛穿插，分割围歼，歼灭国民党守军大部，并将国民党守军残部压缩于火车站、大石桥和正太饭店一带核心阵地内。后利用破墙连院、穿插分割、侧后爆破等方法，打得敌人弃阵而逃。
到11日夜，经过20多小时的激战，市区大部被攻城部队占领。11月11日夜，街巷战斗结束。在国民党军核心工事顽抗的只有32师师部和95团残部。
12日晨，晋察冀野战军调整部署。11旅炸毁铁甲车后，利用缴获的坦克向国民党守军核心阵地发起冲击，攻占火车站和正太饭店。
接着，3纵主力从西面和南面，4纵从东面和北面，冀晋军区部队从西北面，向国民党守军指挥中心大石桥发起攻击，激战至中午12时，国民党军停止反抗，全部向攻城部队缴械投降。
经过晋察冀军区部队6昼夜的浴血奋战，石家庄宣告解放。此役活捉国民党第3军32师师长、石家庄警备司令刘英，全歼国民党守军2.4万余人，缴获大批弹药、物资。石家庄解放后，冀中军区部队乘胜攻击石家庄外围孤立据点元氏县城。
12月3日晨，攻城部队占领元氏城，国民党第5保安团团长魏永和及部下1553人被击毙，3400余人被俘虏。至此，石家庄全境解放。
华北重镇石家庄的解放,不仅开创了“夺取大城市的范例”,为以后城市接管提供了样本,而且为中共中央移驻西柏坡创造了重要的安全保障;极大地鼓舞了我军在各个战场的战斗士气，华北之敌被迫龟缩在了平津保三角地带，使我晋察冀和晋冀鲁豫两大解放区连接在了一起。
同时,解放后的石家庄,经济生产得到迅速的恢复和发展,成为支援全国解放战争的大后方,为解放战争的最终胜利作出了重要贡献。石家庄成为了中国人民解放军攻克的第一座大城市。也意味着,20多年来,一直坚守在农村闹革命的中国共产党,开始接管城市。
石家庄由此成为中国共产党管理城市的试验田,为党的工作重心从农村向城市转移,提供了十分有价值的经验和模本。石家庄解放后，蒋介石一天不吃不喝，蒋经国无奈来找赵继统帮忙劝慰。
赵继统拿出了47年6月毛**说的一段讲话“蒋介石两个拳头（指陕北和山东）这么一伸，他的胸膛就露出来了。所以。我们的战略就是要把这两个拳头紧紧拖住，对准他的胸膛插上一刀。”
蒋介石不知何意・・・