一营三连在三排长史德洪带领下，跳越鹿砦、陷坑，猛扑城垣，雨天道路泥泞，战士们在泥水中前进，冲到铁丝网前，二连炸开的口子，正被敌人严密封锁，要想重炸开一条路更是困难重重。机敏的排长史德洪跪起一条腿，在火网中寻找着空隙，子弹嗖嗖地从他头上、耳边擦过，他发现前面的铁丝网被炮火炸坏，下面空隙很大，于是，他在炮火轰鸣中大喊着：“同志们，不要从铁丝网上面过，从下面钻哪！”他用枪杆把铁丝网撬开，第一个钻过去，战士们也一个接一个钻过去，越过地雷、陷坑等障碍，跳进三米深的护城壕。守敌见状，急将六O炮弹倾泄于壕内，壕内有半米多深的稀泥，而三公尺高的壕壁笔直矗立。没有梯子，他们用锹挖，用手抠，史德洪这位坚强的战土，对身边战友说：宁可死在突破口里，不死在突破口外，没梯子不要紧，我们能下来，也一定能上去！他巧妙地躲开敌炮弹，在向壕壁攀登时，三排只剩下包括史德洪在内的4个人了。但是他们没有畏惧，毫不动摇，一面爆破，一面攀登，趁着炸弹炸响的烟雾，史德洪第一个跳上了城墙，占领了突破口，4个人不停地甩炸弹，守敌退下去。连长见史德洪登上了城墙，高喊一声：同志们，敌人退了，我们冲啊！带领机动部队冲上去，占领了城里临近突破口的房屋。战士们踏着一营劈开的血路，冲进城去。
总攻开始后，第一纵队一师的突击目标是屠宰场。屠宰场是守军极坚固的支撑点，四周是厚厚的围墙，墙上布满射击孔，每个墙角都有地堡群，子母堡互相联通，明暗火力相互配合，障碍物多得数不清。这给一师的进攻造成很大困难。总攻发起几个小时了，屠宰场还没攻下，担任突击的三连战士急得眼睛冒火，八班长郭守德爬进30公尺宽的小河里，面对河心一半水上一半水下的铁丝网，抡起铡刀左右开弓，两下将铁丝网砍断，子弹将他身边的水花打得四溅，他全然不顾，向后招手，战士们跟着他从水中爬过去。敌人的机枪叫得厉害，子弹雨点般打过来，副班长张润芝左臂被打断，痛得浑身发抖，仍然说：叫孔繁合代理我，继续冲！郭守德的心中一团火，他怒吼着，带领八班劈开道道铁丝网，炸开片片地雷群。距屠宰场围墙还有六七十公尺，敌人的又一道防线，一道坚固的鹿砦横在战士们面前。守敌用铁丝把尖尖的木桩一排排紧紧地相串在一起，又用铁钉钉牢铁丝，恰似一排木头墙，人踏上去就会被绊倒、扎倒。没有别有办法，只能用铡刀砍开。郭守德趴在木桩下，敌机枪一扫过去，他就跳起来砍两刀，刚趴下，机枪又扫过来，反复多次，终于将鹿砦砍开一道缺口，勇士们冲到墙下，架上梯于攀上城头，一阵手榴弹炸响，守敌退去。屠宰场终于被突破了。
15日2时，一师攻入市内，接着一、二师并肩作战，向市区推进，开始了纵深战斗。
同日，“东总”电令肖程吴：（一）昨晚我军已突破四平前沿阵地，正向纵深发展中，守敌用无线电话向杜聿明紧急呼援。（二）盼令辽宁兵团大胆行动于铁岭，开原地区，打击敌之前进，争取时间，以便四平我军能安心攻城。并指示陈，罗：（一）我军正猛攻四平，已开始巷战，敌正自沈阳、长春两方向组织增援。（二）为争取时间打下四平与歼灭增援之敌，十一、十二两师应向抚顺前进歼灭守敌。同时，“东总”给四平前线李万周李邓吴高等发来指示电：四平战役关系重大，望发动全体指战员的坚决性，克服战斗过程中间的阻碍，坚决完成歼敌任务。
纵深战斗第一阶段民主联军第一纵队一、二师于15日晨攻入市区，至17日，为纵深战斗第一阶段，此阶段的进攻极为艰难缓慢。由于邓纵在西北角未能迅速扫清外围之敌，突破受阻，一纵三师在城东强攻突破未奏效，致使守敌在防御体系内集中兵力向我攻入城内的一、二师进行猛烈反扑。守军从东北角调入八十七师一部。敌特务团也从军部由北向南反击我一师。路东守军五十四师一部进入路西反击我二师，飞机大炮齐向一、二师轰炸，企图乘东北民主联军立足未稳夺回已失阵地，一纵15日晚向“东总”汇报：“一、二师昨夜西南打入五个营，占领一马路至七马路一段，唯一、二师之间尚有一个据点未解决，因三师及邓纵突破未奏效，敌全力反突击，敌飞机十一架整日轰炸，我炮兵火力不能发挥，故进展甚难，现巩固既占阵地，打敌反冲锋，并坚决消灭一、二两师中间之据点以便并肩作战。”
一、二师在没有兄弟部队配合的情况下，顽强攻坚，浴血奋战，艰难地向前推进，战斗十分激烈。四千守军多次反击，与我展开拉锯战，反复争夺失去的每一块阵地。一天一夜，守敌向二师发动15次反扑，一师也不下10次。在敌飞机和炮火的严密封锁下，伤员的下送和物资的前运都极为困难。五团三连在冲进市区后，两天两夜战土们水米没沾牙，在连长杨青培的指挥下，打退敌人9次反攻，英雄排长王西兰从头到脚都是伤，伤口不时向外渗着血，却坚决不下火线，他像一千钢铸铁打的巨人，坚守阵地，战斗到生命的最后一息。六团二连在攻入城内后，占领了敌距火车站不远处的两栋并排楼房，敌人多次反击，企图夺回阵地，副连长杨发胜面对步步逼近的敌人，一面鼓舞士气，一面跳出战壕，与敌展开白刃战，一班长一连刺死12个敌人后，光荣牺牲，三班副班长刺死，8个敌人，最后刺刀折断，在与敌肉搏中流尽了最后一滴血。有3名战士在敌围攻力不能取胜的情况下，拉响手榴弹与敌人同归于尽。杨连长四次冲入敌群救战友，格斗中右腿、左臂负伤，全然不顾，同阵地上仅有的4名战士顽强与敌拼杀，坚持到后续部队到来，保住了阵地。
一师一团突入市区后，二团、三团随即突入，三个团以一个营为箭头并肩向北发展。由于邓纵一时无法突破，一、二师伤亡很大，一师师部刚接到三团副团长黄才芳打来的准备冲击的电话，紧接着一个电话打来，报告黄才芳已经牺牲。一师江拥辉副师长和梁必业政委在一个班的护送下进入突破口，敌人一发炮弹打来，一个班的战土全部牺牲。阵地上，有的连队只剩下几个人，但仍然前仆后继，有的连队干部战士全部负伤，仍顽强地组织再战。一团某部连长李欣兰身上被炸伤11处不下火线，直到在指挥岗位上停止呼吸。八团四连在向油房冲击时，一排长连续组织送炸药7次，终于炸开大门，冲进一个班向地堡眼里投手榴弹，歼灭了敌人。战斗中，有的连长当了排长、班长，有的班长则代理了排长，连长。当时的香港《华侨日报》沈阳讯称“四平街之争夺愈演愈烈。十六日上午共军以四团兵力冲入市区，当与国军发生惨烈白刃战。战况之惨未曾有，为东北历次战斗所仅见”。一、二师在伤员减员增多的情况下，仍坚决地顽强地向市区突进，经过四昼夜的激战，不仅巩固了突破口，且向市区扩展到伪市政府东西两侧，且越过中央大街（现英雄大街）进到敌核心区东北部，打乱了敌防御体系，为尔后解决路西战斗创造了有利条件。
东北民主联军的顽强、勇敢、猛打猛拼的精神，极大地震慑了四平国民党守军。七十一军与长官部通电话说：“四平工事大部被摧毁，市内巳发生混乱，速派援兵，否则有危险。”又说，“四平南区工厂已被占，情况非常严重，很难维持。”
为解四平之围，国民党组织兵力于长春、沈阳两地。我打援部队也进入战斗状态。
6月17日，“东总”在给四平前线各首长的电文说：敌伤亡甚大，精锐已失，阵地已破，士气大降，虽仍在抵抗与反冲锋，但其力量越来越差，故我各部须坚决攻击与勇敢沉着的击退敌之反冲锋。
邓纵独二师从14日晚开始攻击路西二麦路之敌，由于刚从城东北部调来西北部，时间仓促，情况不熟，即以六团攻三道林子，四、五团攻二麦路，实行强攻，进展不大。15日，强占敌桥头堡，向二麦路冲击。邓纵16日七时向总部汇报：西北面地形阔，工事坚，敌顽强（二六一团）。连续两夜组织突击，仅占二麦路，突破口还未打开，比较吃力，但还是设法突击。鉴于此种情况，李天佑令邓纵独一师从城西北角在邓纵独二师左侧进入战斗。独一师师长马仁兴带领几个团干部，几次冒敌炮火步入前沿，察看敌情，选择突破口，并亲自爬上三十公尺高的水塔观察城内敌情，组织部队攻击。独一师一团三营曾在四平保卫战中威震四平南郊，这次在打开突破口的战斗中又显示了其力量，他们连续组织9次冲锋，于17日，扫清二麦路之敌，攻入市区，一团九连爆破手李桂元率先冲入城内，二营副营长韩光荣身负重伤后仍在沙袋上扔出许多手榴弹后壮烈牺牲。18日，邓纵独二师也从城西门突入。”日，邓纵独三师也随即跟进，开始了伺纵深发展，六纵十七师于17日晚在一纵一师左侧投入战斗。至18日晚，攻克中央公园（现儿童公园），气象台等守军据点，并接替了一纵一师阵地（一师当晚撤出战斗，二师主力于19日晚撒出战斗进行休整）。
为迅速解决四平之敌，18日总部决定六纵十八师投入战斗。十八师即由叶赫出发，19日进至四平东南杜大城，五十二团进至小老爷庙一带，五十三团进至五里坡一带，五十四团进至小塔子沟一带，做好攻坚准备．并担负阻歼四平东南方向突围之敌任务。
纵深战斗第二阶段此阶段自18日至21日。邓纵攻入市区后，市内战斗有了明显变化。邓纵、六纵十七师与一纵配合，猛烈地进行分割穿插，分别围歼各据点守敌，战斗进展较为顺利。
邓纵先后占领守军交通宿舍、陆军医院（今吉林省神经精神病医院）、警察分所、中国银行（在仁兴街）及大白楼、电业局（在中央西路）等重要据点。战斗中，虽然伤亡很大，但将士们战斗意志坚决，他们采取白天火力攻击，夜晚控制交通沟的办法接近敌堡，然后用炸药爆破，摧毁敌堡向纵深突入，当攻至敌交通宿舍大红楼二六三团驻地时，守敌凭借坚固工事拼死抵抗，楼上所有窗户都用砖封死，留有许多枪眼，当我军冲到楼前时，楼内火舌一齐喷射出来，冲上去的战土牺牲了许多，白天进攻敌火力猛烈，难以突破，只好利用夜晚爆破。独一师担任了攻大红楼的任务。在炸药不足的情况下，他们一面攻击，一面组织人员返回飞机场从炸弹里掏出炸药，运至大红楼，连续爆破多次，没有奏效。一团一连八班副班长李广正，心急如焚，他强烈要求担任爆破任务，他带领全班战士，冲破敌火力封锁，一夜之间往返战场12次，运送炸药1000公斤，终于将大红楼炸塌一处，震耳欲聋的爆炸声将楼内守敌震昏，后续部队冲进楼内，活捉敌二六三团副团长，守敌1000余人被俘。
六纵十七师19日上午接受攻打敌核心区七十一军军部大楼的任务，即决定先插敌后，将敌包围再进行总攻。五十团在右侧，经过十余小时激战，先后攻占伪中央银行（在邮电街），伪市政府（今妇婴医院），电信局（今英雄大街，原四平市邮电局）等处，直插敌军部东北角，五十一团在左侧，从中央公园北面由西向东穿插，与五十团和一纵二师六团取得联系，四十九团居中，为主攻，在中央公园附近粉碎敌七次反冲峰，接近居于军部楼后200米远的中山堂，以掷弹筒平射，打入中山堂守敌窗内，敌遭严重杀伤，残部被迫投降，由此，三面对敌军部形成严密包围。
20日18时，三个团同时向七十一军军部大楼发起攻击，四十九团一营在三营火力支援下，如猛虎般地向楼前冲去，三连模范指导员刘梅村带领突击班冲在最前面，军部楼前敌工事被摧毁，守敌全缩回到大楼里面，负隅顽抗。突击班机枪手常友抱起炸药包，冒着枪林弹雨，从倒下的战友身边爬过去，向楼前冲去，刚到街心腿部中弹倒下了，后面的战友们被子弹压得抬不起头，一双双焦急的眼睛注视着常友，他想撑起来，腿骨已断，想往前爬又腾不出手，正当紧要关头，只见英雄常友抱紧炸药包，连人滚到楼前铁丝网下，用自己的生命把楼前头道障碍炸开，战友们高喊着：为常友报仇！抱起炸药冲到楼下，将楼炸开一角。刘梅村带领全连战士冲进楼内，在楼道里与敌展开殊死争夺。刘梅村在腰部中弹的情况下，仍咬紧牙关指挥战斗，在楼道里，刘梅村的枪管巳打红了4支，全连仅剩下七、八个人，且被敌火力封锁在走廊里。刘梅村沉着果敢，在手榴弹用光的情况下，命令战士用炸药炸，走廊两侧每扇门窗都在向他们喷吐着火舌，刘梅村命令战士黎玉泉炸掉它，黎玉泉的脚在楼道被破铁板上的铁钉从脚板扎透脚背，他一拐一拐地照样冲，一连炸掉敌四挺机枪。眼看炸药没有了，刘梅村又命令身边的两个战士冒死冲到后面扛来两包炸药，当扛炸药的战士跑到刘梅村眼前时，一个战士已经没了一条胳膊。随着轰隆隆的爆炸声，军部汽油库被炸着火了。瞬间熊熊大火烧得楼内守军纷纷逃命，一部分向东突围，被五十团围歼，楼内特务团团长陈明信及守楼官兵2000余人全部被俘。至21时已全部占领核心守备区。东总来电，嘉奖十七师。
21日，指挥部将一纵三师从城东调至路西，接替二师五团继续扫清路西残敌，三师七团在追击炮连的协助下，攻占了四平火车站。
路西战斗于21日全部结束。指挥部调整部署，准备对铁路东之敌发起进攻。
此间，“东总”不断致电四平前线各部队。19日的电文中指示，“我部应乘胜坚决扩张战果，不惜重大伤亡与疲劳，坚决夺取四平，目前我虽伤亡重大，极度疲劳，但敌之处境较我困难百倍，且敌之主力抵抗战线已丧失，铁道东之房屋皆不如铁道西坚固，望各部以百倍战斗信心，坚决攻击。”
“东总”在给各部队首长并东北局肖程吴陈罗的电文中说：“四平战斗意义重大，但敌抵抗亦极顽强，我军拟再用一星期的时间，要付出至少一万人左右的伤亡，以争取此一胜利，我南满地区，决死力阻敌之增援，望各部队以死打硬拼的精神，克服困难，顽强进攻，以加速解决战斗。”
中共中央和毛泽东对四平攻坚战极为关注。毛泽东于6月20日发来电文：“林罗：四平夺取后，你们下一步行动计划如何盼告，以便令各方与你们配合”。6月21日，林罗致电“毛泽东主席并朱、刘：“四平战斗十一日至十三日进行外围战，十四日开始总攻击，已激战八日夜，敌约两万五千人与我逐屋争夺，飞机日夜轰炸，我伤亡逾八千余人，现在还只能占领半个城（是敌主要区）决心再以一星期的时间，共付出一万五千人的伤亡，坚决打到底，打垮敌人的守城信心，建立我军的攻城信心……估计以后的形势必更据敌死守，而我方则因伤亡过大，休整一时期才能作新的行动”。毛泽东于6月24日复电，占领此战略枢纽极为正确，四平的占领不仅对我军建立攻坚信心关系甚大，而且对全国正在斗争的广大群众也是一大鼓舞。”