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总攻打响。解放军六十三军先后以三个团攻窦家山，历经六个多小时攻克。
六十五军以先后五个团攻古城岭，自拂晓至下午5:00攻克，用时约十一个小时。战斗比攻窦家山激烈。
六军以先后五个团攻营盘岭，自凌:06：30至16：30攻克并打退敌人反扑共十个多小时。
四军以四个团攻击沈家岭，从凌晨5点一直到傍晚19点，共用了十四个钟头，战斗最为激烈。四军另以两个团大约在中午前后的几个钟头对狗娃山做牵制性攻击，时间不长。
战后，双方在战线东段(六十五军攻的古城岭，六十三军攻的窦家山)和中段(六军攻的营盘岭)的战况描述是不一致的。解放军方面的记述是，攻克了阵地，青马无力反击，最后溃败。
青马的描述是，战况虽然激烈，但远没有到支撑不下去的地步，青马是按照计划建制完整地主动撤离阵地的。
古城岭、窦家山是在下午17点左右攻克的，当时青马前线指挥官都知道了要放弃兰州，这里的“青马”一百师按计划就要开始撤离了，当然不会再争夺这两个阵地。
古城岭、窦家山即使被对方占领，只要十里山、马架山不被占领，解放军仍然不能插入兰州。
沈家岭是一个由南北两块高地组成的葫芦形山梁，面积约0 4平方公里，两高地中间是马鞍形凹陷。东侧坡度小，延伸至兰(州)阿(干镇)公路，西侧则多岩石峭壁，与狗娃山相对。沈家岭不但扼守公路，也是诸南山主阵地中离黄河铁桥最近的主阵地，称为“锁钥”甚为贴切。
沈家岭战斗由四军十一师三十一团正面主攻，三十二团从左翼助攻，三十三团从右翼助攻。三十二团进攻的伤亡十分巨大，总攻时考虑其已有伤亡，改为左翼助攻，沈家岭西侧为陡峭的岩石地貌，三十二团运动了一夜从沈家岭西侧后艰难攀上，很早就让青马发觉了。
当5:20双方交火时，三十二团处境极为不利，又赶上青马增援部队到达沈家岭，三十二团受到不同方向青马重兵夹击，伤亡重大。经奋战，也由于三十一团正面发起了攻击、吸引了青马主力，才勉强在沈家岭西侧边缘占据了个支撑点苦苦坚守。
战后三十二团全团只剩下几十人。5:50，31团两个营正面展开攻击，用破坏了青马的人造峭壁，打开了缺口。尽管青马已准确预测了解放军进攻时间并有了准备，但三十一团攻击极为锐利，在几十分钟内一举突破两道防线。
虽然青马遏止了解放军的连续进攻，并立即组织了强有力的反击，但当7:30，33团从右翼、三十一团另一个营正面投入战斗后，解放军已经在沈家岭宽300米的正面战线上落脚。
随后解放军艰难地推进，双方在沈家岭南部高地的青马主阵地上展开争夺。在清晨6点到10点多的四、五个多钟头内，沈家岭上呈现了最惨烈的战斗情景。
从解放军三十一团打到中午增援部队投入战场时只剩了不足二百人、青马四个营的加强团在上午就撤下去休整的情况可以判断出，战斗异常残酷，双方都伤亡巨大，差不多共有4000人倒在沈家岭南部和西侧一段总共不过三、四百米的狭小战线上。
双方在这段时间内的伤亡占了全程十四个小时伤亡的多一半。这是因为解放军必须不顾一切立足，而青马又必须采用反冲锋战术，不顾一切将解放军反击下来，双方的最大本钱都在这段时间内入注。
双方持续“添油”投入兵员。五六九团建制的三个营长都毙命了。青马下一拨来的是三五七师骑兵团，八十二军工兵营，一九零师直属队等部队。
从双方部署调整的时间推断，解放军方面11师的三个团顶住了青马357师骑兵团新一波的反冲锋，但消耗巨大，战斗兵员所剩无几，采取了守势，并有被青马反击下来的危险。
于是解放军在中午把原来准备攻击狗娃山用做预备队的10师30团投入了沈家岭正面战线。
11:30，三十团先投入了一个营，下午13:30，三十团另两个营一次投入，于是战场天平开始向解放军倾斜。
随后解放军完全占领了沈家岭南部高地，处于有利态势。这里比北部高地势高。“青马”困兽犹斗，仍连续不断反冲击。
解放军每打退一次“青马”冲锋，就顺势反击冲锋将战线向前推进一步，于是在下午3、4点，在打退了“青马”最后一次大规模冲锋后，解放军战线已经推至北部高地的核心区域，“青马”已呈败相。
中午投入战场的三十团是下半场战斗的主力，但其伤亡相对十一师的三个团估计要小，因为此时“青马”兵锋受重挫，已无力将解放军赶下山了，解放军战线已很稳固并逐渐向前推进，战斗场面已进入一种节奏或有序状态，“青马”下半场的兵员质量也不如上半场一九零师的精锐。
下午17:00后，“青马”再也没派来支援部队，开始动摇，但仍组织了多次反冲锋。解放军抓住机会，步步进逼，把“青马”打到了沈家岭北部最后一道防线，18:00，解放军发起全线冲锋，“青马”官兵精神崩溃了，不再理会督战官，溃败下去了。
两位督战官，三五七师师长杨修戎和一九零师参谋长李少白，无奈跟着一起撤退。约傍晚19:00，四军占领沈家岭。
在兰州诸山战斗中，沈家岭战斗起了最关键的作用。从实际进程看，经过一天的攻击后，只有在沈家岭攻克后，才造成了“青马”整个防线的崩溃，狗娃山之敌不得不收缩，才有了三军适时插入，断敌退路的局面，而其余各军攻克的阵地都没有根本上撼动“青马”防线。
从局部看，如果“青马”想守，东线的马架山和十里山仍可守一天，中线的营盘岭至少还可守一天，而沈家岭失守， “青马”于西线再无屏障，不得不逃跑。
因此对兰州战役结局起决定作用的是沈家岭战斗。事后“青马”军官都无例外地承认，正是由于沈家岭的过早失守才导致了“青马”最后的溃败。