第八纵队第二十四旅首先撤离运城，根据打援的作战部署，向中条山南麓前进，到达平陆黑窝、阳朝村一带准备打援。19日，我军打援部队均到达指定地点。平陆地区多南北横断土沟，沟深且宽，道路崎岖，不利于大兵团横行运动作战，我虽然与敌隔沟相望，但不能直接交战，更无法围歼敌人。如果要爬过沟接近敌人，少则十里，而且要冒险下沟，很可能成为敌人射击的目标。这种情况，使打援部队心急如焚，眼巴巴地看着敌人向北继续运动，又不能过沟堵截。直到敌前卫部队进至王村，再由大路向中条山南麓上山时，我伏击队才得以采取战斗行动。敌人连续发起几次冲锋，都被我打援部队击退。后来，敌人不得不集中炮火向我阵地猛烈突击，为减少伤亡，打援部队主动撤离阵地。黄昏时，敌前卫部队已上至中条山顶，但后续部队还在山下过河。当夜北渡之敌都露宿在马村至王村一线的村庄和垣上。
当夜，打援指挥部决定，发挥我军近战夜战特长，秘密隐蔽地接近敌人，利用夜暗袭击马村至柳沟一线的露宿敌人，力争歼敌一部或大部。第八纵队第二十四旅的三个团，以柳沟村的敌人为主攻方向。旅长王墉亲自指挥第七十团，从柳沟村的正北向敌进攻。第七十一团由朝阳村插到柳沟村南面，断敌退路，打击北马村北上之敌。战至黎明，歼敌千余人，第二十四旅达到了歼敌一部的作战目的，主动撤离战场。军区副司令员徐向前指示：“不易一口吃掉全部敌人，以集中最优势的兵力先割袭消灭其一个团至两个团，尔后相继再歼其另一部”。根据徐向前的指示，打援部队又利用夜暗与敌激战，增援之敌面对我阻援部队的坚决阻截，害怕被我军夹击围攻，其主力便放弃增援，主动南撤，退过黄河。此次阻援，由于地形不利于我大兵团作战，加上装备处于劣势，所以，未能全歼增援之敌。毛泽东主席接到第八纵队的总结和王新亭司令员的检讨后，代表中央军委复电晋冀鲁豫军区：“攻运未克，打援又未全歼，在指战员中引起一时情绪不好是很自然的。但我军精神很好，一、二次仗未打好并不要紧，只要你们虚心研究经验，许多胜仗就在后头。望将此意向指战员解释”。
根据毛泽东的指示，部队进行了认真的分析和总结，在此基础上，又拟定了再攻运城的作战方案。
作战方案报中央军委批准后，徐向前副司令员指示第八纵队司令员王新亭：“广大指战员要求攻运的决心是好的，但必须总结上次攻打运城的经验，要接受教训。部队很勇敢，但顽强性不够，教育部队要顽强，要能够坚持住最后五分钟，才能争取到最后的歼灭敌人的胜利”。
根据军委和军区的指示，针对守城之敌调整的部署，即胡宗南派仲松部前来增援之敌，经我阻击消耗，只是把原二五〇团调出运城的一个营和土匪头子雷文清残部护送进了运城。加上原在城内的敌人，运城共有胡宗南部两个团又一个营，阎锡山部三个团和其他土顽部队7200余人，各种火炮近百门，轻重机枪340余挺，火力配系严密：工事较以前又有所加强，不仅全部修复了以前被我军摧毁的工事，而且又在城东增修了不少碉堡等。
针对敌人兵力部署调整的实际，此次攻运作战的具体部署是：首先以第二纵队两个旅位于城西，由西关至马家窝进行突破：第八纵队两个旅位于城北及西北角；独三旅两个团位于东北角：第二纵队的教导旅以一个团位于城东南角担任钳制任务，另两个团和闻喜、夏县、安邑、猗氏、万荣五县游击队围困安邑。其次，考虑到胡宗南在黄河南岸的潼关、陕州、卢氏、洛阳一带尚有四个旅和一个骑兵团，在黄河两岸黄龙山区有一个师和一个旅，可能向运城增授，以太岳军区三个团位于茅津渡、太阳渡、沙窝渡、风陵渡、吴王渡等黄河沿线担负阻援堵溃任务。另外，根据敌我双方的兵力部署情况，拟确定以城西、城北两面为主攻方向，城东、城南两面为助攻方向，实施四面围攻。
12月17日16时，各作战部队均按前指的要求完成了对运城的围攻部署。24时，扫清运城外围据点的战斗打响了。第二十三旅于23日全部攻至城下，进入攻城准备；第二十四旅于23日晚推进到城下外壕边沿。晋绥独三旅强攻城北纪念塔据点，该塔距城70余米，塔高9米，周围设有8个伏地堡，以暗道互相连接，东、西、北三面构筑有野战工事，并以三道铁丝网和一条外壕环绕，是敌城周围的四大要点之一。23日夜，独三旅第七团爆破手向伏地堡口和暗道连续爆破，在步炮工兵联合攻击下，迅速占领了纪念塔，全歼守敌。此时，运城北面的登城障碍全部扫清。
在运城城西，第二纵队进入围城位置后，首先把目标选定为敌马家窑阵地。马家窑阵地也是敌城周围四大要点之一。该阵地位于城西南角，距城100米，筑有3个高碉，17个伏地堡，并有暗道经外壕通向城内，被称之为“西南屏障”。第二纵队部队集中力量向敌集团伏地堡进行摧毁性攻击，钢筋水泥的集团伏地堡，一个接一个地被炸毁，最后剩下的高碉也被臾为平地，被称之为“攻不破的钢筋水泥要塞”8号群碉，也未能幸免。战至23日夜，第二纵队正面的敌外围据点全部扫除。
24日夜，运城前指命令：12月25日拂晓发起总攻，要求各部队按原定任务攻城。5时整，总攻的信号弹划破了夜空。
城西，第二纵队第三五九旅的第一梯队，向城西南角突击。第二纵队独四旅的第一梯队向西门突击。战斗异常激烈，敌城墙上第一层火力被我炮火全部摧毁。但是，由于步炮协调不好，炮火向纵深转移后，步兵未能乘敌火力恢复之前的有利时机登城，而待步兵发起冲击时，担任掩护任务的炮兵炮弹已经全部打完，火力支援中断。此时，敌中、下层火力点未被彻底摧毁，恢复的火力点以猛烈的火力压制我攻城部队，伤亡很大，虽有少数部队登上城墙，又因后续部队没有跟上，在敌人的疯狂反扑下，没有站稳脚跟，攻城未能奏效。城北，第二十三旅、第二十四旅的攻城均未奏效。
第一次攻城失利后，前指决定，马上调整部署，加强组织，当夜继续攻击。但这时，在太阳渡，黄河对岸之敌的榴弹炮群开始向太岳第三分区第四十七团阵地实施火力突击。接着敌以两个营的兵力，分乘60多艘小汽船，向太岳第三分区第四十七团第二、第三营的阵地发起了冲击。我坚守部队沉着应战，让敌人进至前沿50米时，突然开火，有效地抗击了敌人的连续突击。
当太岳第三分区部队在太阳渡阻击援敌的同时，运城攻城部队又发起了第二次总攻。第二纵队独四旅仍突击西门。攻击发起后，第一梯队从西门南侧被炮火打开的缺口登上了城墙，但遭到了敌人猛烈的反扑，攻城部队伤亡惨重，未能奏效。在城北面，第八纵队第二十三旅的攻城部队，虽伤亡较大，但突击队有28勇士占领了城头。疯狂的敌人从两侧向28勇士夹击，经过一阵枪打刀挑，终因寡不敌众，未能巩固突破口，第二次全线总攻又失利了。
军区副司令员徐向前得到连续两次总攻失利的报告后，直接口述电文给前指，明确而严厉地要求到：“主要是提高战斗精神，要养成顽强的战斗作风，要养成对敌恨、对己和的作风，不论是面向着任何敌人，都应有‘不怕你’的英雄气概，要有无尚的勇气。法国拿破仑有句名言：‘最后的五分钟’，我们要牢记在心。最后五分钟，是决定胜负的关头。好多指挥员在最艰苦、最严重的时候，譬如说伤亡很大，反复的打上去又退下来，部队的连续作战与连续行军很容易感觉疲劳等，这种时机最易动摇决心，最易把最后决胜的时机放过去。因此，须牢记一条：当你是最严重、最困难的时候，也是敌人最严重、最困难的时候，常常是当你因困难而决心发生动摇的时候，也恰恰正是敌人对胜利已感到绝望的时候。这种时机是最紧要的关头，这种时机决定于何方能坚持，何方能熬过这最后的五分钟，何方就能取得胜利。因此，我们要坚持最后五分钟。选择指挥员，最好是选能顽强不屈，坚持最后五分钟的”。
徐向前副司令员下达的“坚持最后五分钟”的死令，很快转达到了运城前线每支部队、每个指战员。徐向前的命令，无疑是在最困难、最艰苦、最关键的时刻对广大指战员最深刻、最实际的教育，也是对部队当前完成最重要、最紧迫、最艰巨任务的最高要求，更是对导致部队屡攻不取、屡战不胜的根本原因的揭示。所以，当徐向前的命令在前线部队一经传达教育，各部队不仅重视攻城作战的物质准备，而且更重视完成攻坚任务所必需的“坚持最后五分钟”的精神准备。为此，部队加强了革命英雄主义、光荣传统教育。在此基础上，召开了有登城战士参加的军事民主会，分析失利原因，总结经验教训，研究新的部署。大家一致认为，25日两次强攻失利，还在于攻击准备不足。例如，交通壕未接通外壕，攻击部队在敌火下暴露时间太长，增大了伤亡。在火力组织上，注重集中炮火摧毁敌正面火力点，但是对敌侧射火力点摧毁不够，结果吃了亏。同时，对外壕与城墙的爆破，爆破组与突击队缺乏联系，攻击梯队间的协调不够，第一梯队突上城墙后，后续梯队跟进不够，导致后续力量补充不足，未能及时有效地巩固扩大突破口，等等。这些问题也是导致攻城失败的重要原因。围绕着存在的问题，前线各部队又展开了新一轮的攻城战斗准备。
12月27日17时30分，运城前指下达了总攻令。在城北门，我军12门野炮、东门南角4门榴弹炮向运城守敌猛轰。第二十三旅旅长指挥工兵启动炸药爆破器，运城北门城墙，立即炸开了一个10米宽的缺口，突击部队迅即突击登城，仅几分钟，就出现在运城的北城墙上，将敌城头阵地攻占。此时，突破口两翼的敌人开始组织反扑，但突击队的战士在“巩固阵地，消灭敌人，誓与阵地共存亡”的口号鼓舞下，与敌人展开激战。吸取前两次攻城教训。这次，第二梯队紧随第一梯队之后，当第一梯队突破成功之后，攻城的后续梯队紧接着鱼贯而入，并迅速向两翼和纵深发展攻击。敌人在飞机的掩护下，集中火力，封锁突破口。为防止前两次攻城功亏一篑的被动再次出现，前指司令员王新亭要求攻城部队：“敌人死死卡住突破口，你们一定要不惜任何代价，坚决打开突破口，并采取多路攻城手段，分散敌人攻占突破口的兵力与火力，总之，突破口决不能让敌人夺去！”
在司令员的要求下，部队拼劲更足，集中炮兵，轻、重机枪火力于突破口上，有效地压制敌人的反扑，并将旅预备队的部分兵力投入战斗，在巩固突破口的同时，向城内发展攻击。第八纵队第二十四旅及第二纵队一部改从第二十三旅的突破口入城，乘势扩大战果。第二纵队主力也在城西门架云梯登城成功，守敌防御体系顿时大乱，纷纷弃守。在与敌血战中，部队表现出了“坚持最后五分钟”的勇敢顽强精神，从团首长到战士，不怕流血牺牲，有的虽然肠子涌出，却抱住敌人跳下城墙，同归于尽：有的咬掉了敌人的耳朵，拉响了最后一颗手榴弹：甚至指挥机关、后勤人员都参加了巩固突破口战斗。指战员的英勇气概，不仅相互间产生一种鼓舞和激励，对敌人也是一种威慑和震撼。12月28日，运城攻克。前来增援之敌，也被阻援部队击退，运城解放。此役，我军共歼灭敌第三六九团、二五〇团、一八二团和地方杂牌部队共13000余人，缴获各种火炮94门。更主要的是：“此次战役，有力地配合了刘邓、陈粟，陈赓三路大军对平汉、陇海两路的破击战；同时，证明了我军打到外线后，我内线兵力还很强大，不但能拉住它，而且能反击并消灭它”。（新华社评论语）《新华日报》在发表《祝贺运城大捷》的短论中也指出：“拔掉了运城这个据点，堵住了蒋匪入晋的咽喉，也直接减少了蒋匪对豫西解放区的压力，特别是可以腾出咱们更多的兵力，再打出去。”运城前线司令部发言人在说到运城解放的意义时说：“在军事上增加了我军的军事力量，南可以控制陇海路，西可以出击关中，北可以攻取临汾，进逼晋中、太原，并能更好地支援豫陕鄂我军的作战”。对攻克运城，徐向前指出：“攻下运城的意义，是非常重大的，不仅把守运城的敌人全部消灭了，消灭了敌人一万多有生力量，可以说是攻坚战的典型歼灭战。而且，在精神上摧毁了敌人防守这座城市的信心，打破了敌人固守据点的信心，这个作用是非常大的。同时，我们创造了攻坚战的宝贵经验，巩固了我们攻坚的信心”。
应该说，城市攻坚作战，对当时的我军来说，是一种全新的作战。唯其城坚，则需要有破坚的办法，除了战术、技术上的办法之外，在精神上，战斗作风上，也要适应于攻坚作战的需要，要有“坚持最后五分钟”的顽强，要有无所畏惧的勇敢，要有与敌人血战到底的狠劲，要有连续作战的坚韧，这既是部队战斗力的精神因素，也是保持和发挥物质战斗力的精神动力。
