当张家口、新保安两地的国民党军被全歼后，使傅作义断绝了西逃之路。蒋介石见华北不保，企图诱使傅作义南下，傅作义权衡利弊，一再加以拒绝。蒋介石还派人飞到天津，劝说他们撤到塘沽，从海路南逃。天津守敌的两个主力军是蒋介石的嫡系，支持这个决定。但天津警备司令陈长捷是傅作义的老同事，他怕自己一撤，北平势必难保，因此对主张撤退的天津市长杜建时说∶"如果你们把部队带走，我只有自杀。"蒋介石的算盘因此全部落空。
毛主席很早以前就料到这一点，因此在12月13日和18日两次命令东北野战军，以三个纵队割断津、塘之间的联系，包围这两处敌人，首先要歼灭塘沽之敌，夺取出海口。解放军攻到塘沽附近后，发现这里都是积水的盐滩，没有封冻，无法修筑工事。而敌人大部驻扎在码头和军舰上，解放军没有战舰，不利于交战，毛主席获悉这一情况，决定暂且放弃攻占塘沽。到12月底，解放军各纵队向天津集结，迅速行动，在1月2日前到达指定位置，将天津城团团包围。
陈长捷为了守住天津，在天津城区和外围设置了大量坚固工事，并分配了各师的防守区域。在城外，加宽护城河，并引附近的河水入护城河，作为重要屏障。守卫宜兴埠一带的六十二军为扫清障碍，防止解放军借民房攻近敌军阵地，竟然纵火烧毁民房，使数千人无家可归，露宿街头。
天津前线，一方是深沟高垒，严阵以待，一方是摩拳擦掌，蓄势欲发。而北平前线，则是另一番光景∶谈判桌上，唇枪舌剑，互不相让。
针对傅作义举棋不定的态度，解放军已经做好了进攻天津的作战准备。负责天津前线指挥的是刘亚楼将军。1月4日，他召集各攻城部队首长，分析、研究作战方案。最后决定，东西对进、拦腰切断、先南后北、先分割，后围歼，各个击破。 2/3的炮兵、坦克配置于西面，1/3配置于东面。李天佑指挥一、二两个纵队，由津西和平门地区突破，邓华指挥七、八两个纵队从津东民族门一带突破，两路部队最终在金汤桥会和。九纵队在津南助攻。部署完毕，各部队开始扫清外围的战斗。二纵队第四师从津西进攻，守卫这里的敌人是62军主力，他们修筑完整的防御体系，自以为固若金汤。解放军冒着严寒，连夜奋战，挖好战壕，构筑了坚固的阵地。
1月8日，解放军攻向敌人地堡群，在机枪火力掩护下，强行爆破。经过一个小时战斗，解放军终于把敌人碉堡一个个拔掉，扫清了西面最重要的外围据点。解放军另一部在津南进攻，仅50分钟就歼敌3000余名，攻占了重要据点灰堆子。7日，东北地区的东局子被占领，敌军八十六军三个营被歼。
天津外围工事一线据点，几个小时就被解放军全部占领，没有一个能抵抗过一天。9日，敌人的第二线碉堡群也被我军摧毁，解放军已接近城防线，有的地方敌我相距不过几十米。
外围阵地相继失守，损失惨重，陈长捷惊慌失措，又无兵可调，只好向官兵下达死命令∶加强城防工事，拚命挡住共军的逼近!他还与杜建时等人制订了 "连坐法"，即下级逃跑，直接上级要 负全责，以此来威胁官兵为他们拼命。
1月7日，林彪、罗荣桓、刘亚楼派通信员向陈长捷送来了一封劝降信。陈长捷当即召集各高级将领商议。几个人聚在天津警备司令部会议室里，轮流看完这封劝降信，一个个两眼发直，默默不语。他们心里都明白，放下武器，也许能保平安，继续抵抗，只有死路一条。但是谁也不敢先说话，因为他们彼此互相猜忌，都怕被人抓住把柄。陈长捷虽是长官，是傅作义亲信，但并没有自已的嫡系部队。 而守城的两个军长林伟俦、刘云瀚以及市长杜建时，又都是蒋介石的心腹，他们更不敢率先表明自己要反蒋投降。陈长捷见大家都不说话，只好给傅作义打电话请示，傅作义只简单地回了一句∶"只要守住，就有办法。"他还梦想保存实力，作谈判时讨价还价的本钱。
到最后，解放军也没跟傅作义讨价还价，放弃讨论天津，直接打。解放军在天津城外，密密麻麻布满了各式大炮。10点钟，刘亚楼将军一声令下，500门大炮向天津城的敌方障碍物和火力点喷出了愤怒的火舌。11时，解放军集中火力，突袭敌人护城河前沿阵地。紧接着，嘹亮的冲锋号响彻阵地，冲锋部队在一片喊杀声中冲向敌群。
一纵两个尖刀连，像猛虎一般，攻占了突破口，把火红的军旗插在了城墙上。城西的一纵二纵，城东的七纵八纵，直捣天津市区。战士们占领了突破口，又向纵深挺进。到15日凌晨 2 时，一纵一师八连和八纵的七连首先在金汤桥会师，敌人被拦腰斩断，首尾难顾。
15日清晨，傅作义给陈长捷打了电话，对陈说∶"可以接洽和平吧!"意思是允许陈放下武器投降。陈长捷刚放下电话，就听见有人喝道∶"不准动!"原来解放军一个副营长领着几名战士已经攻到敌人指挥所。敌军高级指挥官，从天津警备司令陈长捷到天津市长，二个军长，都被俘虏。
到 15 日下午三时，攻城战斗胜利结束，天津解放。解放军共歼灭敌人两个军、10个师、共13万余人。而整个战役只用了29个小时！