白崇禧在为能集中兵力专图桐（柏）、唐（河）地区得意之时，却对其暴露的腰部丧失了警惕。此一良机，正利于我军对这条长蛇阵的腰部（既是弱点，又是要害）猛刺他一刀，以杀其三军之锐气，震撼武汉，拖回张淦的第3兵团。我江汉军区张才千司令员及其他首长果断地定下决心，迅速发起了应城战斗。
战斗前夕，为了隐蔽我军意图，造成敌人更大的错觉，达成攻城的突然性，我军采取了一系列的佯动：3分区10团、11团向荆门以南地区进击，牵制敌人不向东进；4分区部队攻袭宜城；2分区6团破袭花园、孝感之间的铁路；1分区9团穿上新棉衣，到随县、安陆一带，屡次变换番号，易地号房，大摇大摆，佯装军区主力进行活动。
白祟禧果然上钩了，他匆匆忙忙、慌里慌张地将其主力缩回平汉铁路南段和襄（阳）花（园）公路两侧，而武汉西北却门户洞开，应城处于更加孤悬状态。
与此同时，我军采取各种侦察手段，对应城守敌的兵力部署、阵地编成、火力配系、工事构筑等各个方面的情况，都进行了比较周密的侦察。最后，张才千司令员决定，以独立旅全部和2分区3个团的部队投入战斗。为了保障作战胜利，2野首长还命2纵和桐柏军区部队作后盾，虎视左右，相机制敌，以防不测。
应城守敌，正规军约有2500人，另有应城、京山、天门、随县一带的土顽2000余人，其中大股的为国民党第3专员公署曹勖部和京山县保安大队许友祥部，他们因其盘踞地盘被我军解放，即猥集于应城苟延残喘。
应城敌人工事是江汉地区最坚固的工事之一。城墙厚9米，高6米，是明清时期陆续建成的。城墙外有一道外壕，最宽地段有30米。北大街、南大街、府后街、小北街等主要街道都布满了机枪掩体，十字路口还筑有砖木结构的地堡，其兵力容量大者可放1个排，小者可容五六个人。“核心阵地”的军部遍布地堡群和卧姿、立姿掩体，鹿砦、铁丝网纵横交错，密如蛛网。
敌人的外围工事亦十分坚固。古城台在大小富水之间拔地而起，高六七十米，离城仅1公里，是应城最大的制高点。日寇盘踞时，曾在这里筑过7个钢筋混凝土半隐蔽式永备性碉堡，当中修了1个三层楼高的砖木结构的大碉堡。后来，国民党又在此筑了数十座三层砖木结构的地堡。古城台西北面横着一个“冬瓜型”的无法涉越的大水塘，南面有一条可以接近古城台的狭窄通道，但这里又处于北城门和魏开记旅社两面侧射火力的控制之下。古城台的周围设有两道鹿砦、3道铁丝网，铁丝网上还挂有地雷。而寿宁寺则是一殿两廊的大型古刹。从前这里住有100多个和尚。它的东、南、西三面都是大面积的开阔地，周围筑有半掩蔽式砖木结构的地堡，地堡的外围有鹿砦和铁丝网。
应该说，应城敌军的将领们并不是傻瓜。从应城的布势和阵地编成来看，他们的战场概念是清楚合理的：他们根据应城的地形、地貌特点，布置了个三角阵地，这样就可以犄角相支，互为股肱。
张才千司令员制定的应城战斗部署是：独立旅1团从北门攻城，2团从东门攻城，3团作预备队。2分区率其所属4团位于城东南十里铺一带丘陵，阻击长江埠方向来援之敌；其6团位于城东北伍家川一带起伏高地，阻击云梦方向敌援兵。5团归独立旅指挥。京（山）应（城）指挥部率其独立营，位于西南的七里港，截击由应城西窜的残敌。
各种准备就绪后，部队于10月23日下午2时从京山的仁和店出发，黄昏到达应城以北的盛家滩附近，得悉该地住有敌应城县2个常备保警十队和3个乡公所，当即决定歼灭该敌。我独立旅1团1营从正面压过去，敌不支而溃散，我俘获敌20余人。23日晚7时前，各攻击部队即按预定部署全部进入作战地域，阻击部队亦已展开，并开始挖掘开式阵地、枪炮掩体、单兵掩体和交通沟。
24日凌晨4时，独立旅1团在古城台、草街，2团在寿宁寺，同时发起战斗，以扫清敌人外围据点，但因敌工事坚固，不易接近、摧毁，而未能得手。24日黄昏，1团又组织4个连的兵力，并加强了1部分火器，冒着大雨寒风，猛攻古城台。
部队在水壕中打得十分英勇顽强，反复攀登。梯子炸断了，有的战上就冒着枪林弹雨，不怕地雷爆炸，用身子爬在铁丝网上作前进“踏板”，为战友开辟冲击通路。但终因雨大路滑，敌工事坚固，地幅狭窄，我军虽经一夜激战，但仍未能攻克敌外围据点。
此时，作战经验丰富的张才千司令员清楚地意识到，时间不能再拖下去了。应城距离武汉很近，一旦敌援兵赶到，我军就会前功尽弃。张司令员在屋里踱来踱去，一支接着一支地吸烟，时而俯下身看看桌子上的作战地图。
张司令员正在沉思时，突然接到独立旅的报告：据群众反映，大南门已封闭10余年，平时都是保安队守备，从未见有正规军；独立旅2团l营干部经过仔细观察，认为敌人南门守备的确薄弱，原因是敌从一开始就判断我军无论如何不会在此突破，并自恃寿宁寺支撑点能够彻底封锁这一带城区；南门外一带有几条小沟壑，离城门60米处还有一条面对城墙的小横堤，既便于我隐蔽接敌，又便于我发扬火力，实施突击。
张司令员听了这个报告十分高兴。根据这个新的情况，当即决定采取避其甲壳、击其软部的战术，重新调整了部署：留1个营监视古城的敌人，1个营佯攻寿宁寺，以麻痹敌人；命2团1营作突击队，并加强一定数量的炮兵和工兵，极其隐蔽地接近冲锋出发地，攻击时炮火要突然、猛烈、密集；2团3营、3团3营作第二梯队，突破南门后立即投入巷战，扩大突破口，掩护1闭2个营进城，全面展开巷战，要像数把刀子从乌龟的头部、尾部插到他的心脏，挖掉他的心肝及全部软组织。
25日凌晨2时，细雨霏霏，凉风阵阵。古城台、寿宁寺都在响着激烈的枪炮声。1营以极其隐蔽的动作，神不知鬼不觉地从集结地域胡家湾一带进入了进攻出发地城南门外小横堤，92步兵炮、60炮、掷弹筒、轻重机枪等火器均在离南门百米之内，按预定部署进入射击位置。
在此期间，敌县长袁浩然视察了东门至南门的一段防御。他向敌28军副军长顾心衡报告：东门至南门守备薄弱，恐有不测。顾心衡决定派搜索营加强东门至南门一段防御。
在敌搜索营到达之前，我92步兵炮突然一炮，就把南门上的地堡打去半截。接着，36门（挺）60炮、掷弹筒、轻重机枪在距南门不到一百米的正面，以极其密集的炮火猛烈地轰击、扫射敌人的工事。敌人被这突如其来的猛烈炮火打晕了，整整15分钟竟没有还一枪一炮。
随即，我爆破组在架桥组的配合下，用20公斤重的炸药包，不到5分钟就将封闭10余年的南门炸开。1营徐道宗营长亲自带着突击队冲上南门，1营其他连队随后冒着爆炸的烟雾尘上从城楼和炸开的城门勇猛地突人城内，并占领了南大街两幢高楼。
敌搜索营进行了一次反扑，当即被我军击退。搜索营长跑回去向顾心衡报告说：“共军已突破南门，进了城区。”顾心衡预感到不妙。实际上，他对打恶仗、受重创是有准备的，但却认为可以依靠坚固的城池和防御工事与我军抗衡，固守待援。城池一破，他知道就要完蛋了，立刻恼羞成怒，抓起桌子上的手枪，对搜索营长骂道：“你这个窝囊废，党国大事全毁于你等败类之手！”说着“叭”的一枪，搜索营长死在了他的军部。接着，顾心衡怒气冲冲地向他的参谋长下了死命令：“搜索营、工兵营全部出动！打光也得给我把共军消灭在城内，或逐出城去！”
黎明前，敌人像被打疯了的野狗，拚命地向我1营反扑。南大街住房内、高楼下、小巷里的敌人都在对我军反冲击。敌我双方包围反包围，穿插反穿插，犬牙交错，杀成一团。战斗都是在几米、十几米之内进行的，双方使用的兵器也都主要是靠刺刀、手榴弹、冲锋枪。
为争夺南大街，双方共投入了近3个营的兵力，因为地幅狭小，所以伤亡都很大。不到1小时，敌人2个营已基本被我打垮，我1营有战斗力的也只剩下60余人。营长徐道宗胸中数弹，临终前还口含鲜血低声地命令战士们说：“不要辜负党和人民的期望，坚……决守住……突破口。”在这短暂的激烈搏战中，副营长袁世春和两个连长也相继壮烈牺牲，其它两个连长身负重伤。在这紧急关头，教导员蔡德清把剩下的干部、战士收扰起来，激愤地对大家说：“替营长报仇！替牺牲了的同志们报仇！打到最后一个人也要守住突破口”我英勇无畏的战士，死死守住南大街的两幢楼，一面用火力杀伤敌人，一面不断组织短促突击。敌人不但没有把他们赶出去、消灭掉，相反却又失去了一幢楼房，30多名士兵也成了俘虏。
上午7时30分左右，敌机不断临空向南门城墙内外俯冲投弹、扫射，第一批返航后，第二批4架敌机继续临空狂轰滥炸。我第二梯队2个营不顾敌机扫射、投弹，勇猛进入城区，2团3营向东南席卷，以突然之势出现在敌人的背后，敌措手不及，当即被我俘获200余人。寿宁寺之敌因被我3团3营切断其内外联系，举白旗投降。据守东门的敌保安队向北大街逃窜。
为尽快向纵深发展，稳妥迅速全歼城内之敌，张才千命令独立旅1团除留1个营监视古城台之敌外，1、2营立即从2团突破口投入城区巷战，不得迟误。寿宁寺之敌投降后，2团2营佯攻任务已完成，张才千用电话命令他们也立即投入巷战。正当1团2个营，2团2营向城内急速运动时，敌机又低空向我运动部队俯冲投弹、扫射，企图阻止我生力军投入城区战斗。我独立旅部队很快组织轻机枪、步枪不断地对空射击，掩护部队向城内急进。
至此，我军投入巷战的兵力已达6个营，和敌人兵力相比较，基本上是l：1。激烈的巷战在城区全面展开。
25日午后2时，守城之敌大部被歼，仅剩西南角28军副军长顾心衡据守的“核心阵地”——公立医院。其“核心阵地”内除原有2个加强连外，还有奉顾心衡令猥集于此的敌县政府官员、乡保队，以及溃散下来的敌52团、搜索营、工兵营残部。顾心衡把一些县保安队、坚决反共的乡保土顽，部署在最前沿，用杂牌军给其当炮灰，以提高其防御空间的磨擦力，力争消耗、疲惫我军。他还同时急电白崇禧请求增援。
白崇禧接电后，深知应城若失守，损失重大，急令52师从安陆、云梦两个方向火速向应城运动，令空军加强对位于应城东门和南门之间的我作战部队轰炸扫射，同时在应城周围寻找我指挥所、集结点、后勤保障点和担架队等目标实施攻击，以摧毁我指挥中枢及后勤保障系统。
时间紧迫，刻不容缓。
张才千命令独立旅快速解决敌28军军部及其所据守的“核心阵地”。该旅很快决定由1团1营完成攻歼敌军部“核心阵地”的任务，并要求26日拂晓前必须结束战斗。
1营全体干部战士虽经两天两夜的苦战拼杀，已十分疲劳，但领受任务后，情绪大振，斗志昂扬，决心拿下敌“核心阵地”，全歼守敌。
同时，团首长确定：第一、先集中炮火于冲击通路和突破口，打烂敌人的鹿砦、铁丝网、单兵掩体，掩护工兵送炸药；第二、工兵用炸药炸掉敌军部门前两个碉堡，并连续爆破敌指挥中枢军部大楼；第三，突击队一律换上冲锋枪和手榴弹，炸药一响，立即突击；第四，由团、营、连三级干部带领的后续梯队，紧紧跟进，投入决战性拼杀。
26日凌晨1时，攻击敌军部大楼的战斗提前5分钟突然打响，炮兵以抵近快速射击摧毁了敌鹿砦、铁丝网和火力掩体，并轰击地堡和军部大楼：轻重机枪密集的火力，压得敌人抬不起头来。工兵在炮火掩护下实施连续爆破，最后把军部大楼的东北角炸塌。刹那间敌人丧失了抵抗能力。
我突击队随着炸药轰鸣声，威风凛凛，峰拥而上。接着，二梯队及后续部队冲进敌“核心阵地”。一时间，冲锋枪的枪声、手榴弹的爆炸声和战士们的呼喊声，连成一片，震山撼岳。
拂晓前，敌“核心阵地”全部被我军占领，守敌死伤狼藉。在这里，我军活捉了敌副军长顾心衡以下700余人，击毙敌军副参谋长熊介生。敌县长袁浩然原已被我军俘获，但这个狡猾得像狐狸一样的家伙，竟从我军手中溜掉了。
应城战斗胜利结束，共俘敌副军长顾心衡以下3261人，毙伤敌军副参谋长熊介生以下900余人，缴获各种炮8门，轻重机枪98挺、长短枪1477支，各种子弹13万余发，电台3部，电话机41部，战马135匹，及其它大量军需物资。