總攻打響。解放軍六十三軍先後以三個團攻竇家山，歷經六個多小時攻克。
六十五軍以先後五個團攻古城嶺，自拂曉至下午5:00攻克，用時約十一個小時。戰鬥比攻竇家山激烈。
六軍以先後五個團攻營盤嶺，自凌:06：30至16：30攻克並打退敵人反撲共十個多小時。
四軍以四個團攻擊沈家嶺，從凌晨5點一直到傍晚19點，共用了十四個鐘頭，戰鬥最爲激烈。四軍另以兩個團大約在中午前後的幾個鐘頭對狗娃山做牽制性攻擊，時間不長。
戰後，雙方在戰線東段(六十五軍攻的古城嶺，六十三軍攻的竇家山)和中段(六軍攻的營盤嶺)的戰況描述是不一致的。解放軍方面的記述是，攻克了陣地，青馬無力反擊，最後潰敗。
青馬的描述是，戰況雖然激烈，但遠沒有到支撐不下去的地步，青馬是按照計劃建制完整地主動撤離陣地的。
古城嶺、竇家山是在下午17點左右攻克的，當時青馬前線指揮官都知道了要放棄蘭州，這裡的“青馬”一百師按計劃就要開始撤離了，當然不會再爭奪這兩個陣地。
古城嶺、竇家山即使被對方佔領，只要十里山、馬架山不被佔領，解放軍仍然不能插入蘭州。
沈家嶺是一個由南北兩塊高地組成的葫蘆形山樑，面積約0. 4平方公里，兩高地中間是馬鞍形凹陷。東側坡度小，延伸至蘭(州)阿(幹鎮)公路，西側則多岩石峭壁，與狗娃山相對。沈家嶺不但扼守公路，也是諸南山主陣地中離黃河鐵橋最近的主陣地，稱爲“鎖鑰”甚爲貼切。
沈家嶺戰鬥由四軍十一師三十一團正面主攻，三十二團從左翼助攻，三十三團從右翼助攻。三十二團進攻的傷亡十分巨大，總攻時考慮其已有傷亡，改爲左翼助攻，沈家嶺西側爲陡峭的岩石地貌，三十二團運動了一夜從沈家嶺西側後艱難攀上，很早就讓青馬發覺了。
當5:20雙方交火時，三十二團處境極爲不利，又趕上青馬增援部隊到達沈家嶺，三十二團受到不同方向青馬重兵夾擊，傷亡重大。經奮戰，也由於三十一團正面發起了攻擊、吸引了青馬主力，才勉強在沈家嶺西側邊緣佔據了個支撐點苦苦堅守。
戰後三十二團全團只剩下幾十人。5:50，31團兩個營正面展開攻擊，用**破壞了青馬的人造峭壁，打開了缺口。儘管青馬已準確預測瞭解放軍進攻時間並有了準備，但三十一團攻擊極爲銳利，在幾十分鐘內一舉突破兩道防線。
雖然青馬遏止瞭解放軍的連續進攻，並立即組織了強有力的反擊，但當7:30，33團從右翼、三十一團另一個營正面投入戰鬥後，解放軍已經在沈家嶺寬300米的正面戰線上落腳。
隨後解放軍艱難地推進，雙方在沈家嶺南部高地的青馬主陣地上展開爭奪。在清晨6點到10點多的四、五個多鐘頭內，沈家嶺上呈現了最慘烈的戰鬥情景。
從解放軍三十一團打到中午增援部隊投入戰場時只剩了不足二百人、青馬四個營的加強團在上午就撤下去休整的情況可以判斷出，戰鬥異常殘酷，雙方都傷亡巨大，差不多共有4000人倒在沈家嶺南部和西側一段總共不過三、四百米的狹小戰線上。
雙方在這段時間內的傷亡佔了全程十四個小時傷亡的多一半。這是因爲解放軍必須不顧一切立足，而青馬又必須採用反衝鋒戰術，不顧一切將解放軍反擊下來，雙方的最大本錢都在這段時間內入注。
雙方持續“添油”投入兵員。五六九團建制的三個營長都斃命了。青馬下一撥來的是三五七師騎兵團，八十二軍工兵營，一九零師直屬隊等部隊。
從雙方部署調整的時間推斷，解放軍方面11師的三個團頂住了青馬357師騎兵團新一波的反衝鋒，但消耗巨大，戰鬥兵員所剩無幾，採取了守勢，並有被青馬反擊下來的危險。
於是解放軍在中午把原來準備攻擊狗娃山用做預備隊的10師30團投入了沈家嶺正面戰線。
11:30，三十團先投入了一個營，下午13:30，三十團另兩個營一次投入，於是戰場天平開始向解放軍傾斜。
隨後解放軍完全佔領了沈家嶺南部高地，處於有利態勢。這裡比北部高地勢高。“青馬”困獸猶鬥，仍連續不斷反衝擊。
解放軍每打退一次“青馬”衝鋒，就順勢反擊衝鋒將戰線向前推進一步，於是在下午3、4點，在打退了“青馬”最後一次大規模衝鋒後，解放軍戰線已經推至北部高地的核心區域，“青馬”已呈敗相。
中午投入戰場的三十團是下半場戰鬥的主力，但其傷亡相對十一師的三個團估計要小，因爲此時“青馬”兵鋒受重挫，已無力將解放軍趕下山了，解放軍戰線已很穩固並逐漸向前推進，戰鬥場面已進入一種節奏或有序狀態，“青馬”下半場的兵員質量也不如上半場一九零師的精銳。
下午17:00後，“青馬”再也沒派來支援部隊，開始動搖，但仍組織了多次反衝鋒。解放軍抓住機會，步步進逼，把“青馬”打到了沈家嶺北部最後一道防線，18:00，解放軍發起全線衝鋒，“青馬”官兵精神崩潰了，不再理會督戰官，潰敗下去了。
兩位督戰官，三五七師師長楊修戎和一九零師參謀長李少白，無奈跟着一起撤退。約傍晚19:00，四軍佔領沈家嶺。
在蘭州諸山戰鬥中，沈家嶺戰鬥起了最關鍵的作用。從實際進程看，經過一天的攻擊後，只有在沈家嶺攻克後，才造成了“青馬”整個防線的崩潰，狗娃山之敵不得不收縮，纔有了三軍適時插入，斷敵退路的局面，而其餘各軍攻克的陣地都沒有根本上撼動“青馬”防線。
從局部看，如果“青馬”想守，東線的馬架山和十里山仍可守一天，中線的營盤嶺至少還可守一天，而沈家嶺失守， “青馬”於西線再無屏障，不得不逃跑。
因此對蘭州戰役結局起決定作用的是沈家嶺戰鬥。事後“青馬”軍官都無例外地承認，正是由於沈家嶺的過早失守才導致了“青馬”最後的潰敗。