12月20日17时,我军向运城外围据点发起攻击。独4旅第12团攻击西门外12号大碉,初未得手,后经严密组织和充分准备,于21日将12号大碉炸毁;第14团攻击城西北角13号大碉,经5次爆破,至23日将13号大碉炸毁。第359旅第719团第1营经1小时30分激战,攻克城西南马家窑主要阵地,并击退城角守敌三次反扑;该团第2营攻击盐池庙,第3营攻击9号碉,均未克,23日改由第717团第1营攻击9号碉,攻克该碉。24日拂晓,我以炮火将10、11号碉摧毁。至此,我当面敌外围据点除盐池庙外均被攻克。晋冀鲁豫军区第8纵队及独3旅也扫除了城北及城东北的登志障碍。
12月25日7时,部队开始攻城,我军以炮火猛烈压制敌人。独4旅以第13团为攻城第1梯队,炮击半小时后,跃出工事,抬着梯子,通过数十米的开阔地向西门突击,此时敌人炮火猛烈向我射击,我伤亡较大,攻击受阻。第359旅以第718团为攻城第1梯队,向城西南角突击,遭敌炮火拦阻,虽一部攻抵城边,但无法通过外壕,攻击也未成功。第8纵队与独3旅的攻击也同时受挫。
我军第一次攻城受挫后,攻城指挥部令各部调整部署,黄昏后发起第2次攻城。独4旅调第2梯队第14团为第1梯队,仍向西门突击。该团原以第2连架梯,因第2连白天未侦察好竖梯位置,临时改由第5连架梯。第5连仓促找一短梯登不上去。第3连连长从城墙被炮火震塌处,率领第3排攀城垣,刚上去1个班,遭敌猛烈反击,连长负伤,排长阵亡,后续部队也未上去。第359旅改由攻城第2梯队第717团为第1梯队,仍向城西南角突击,在火力掩护下,对城墙实施多次爆破,均未炸垮,只有1个班登上城垣,但遭反击,全部牺牲,其他兄弟部队攻击亦未成功。