解放军在做好各方面准备后，再战运城就提上了日程，有了前面两次的经验教训，这次进攻运城的准备工作十分充分，战役部署也更加完善，每支部队、每天的战斗任务也十分明确，战前动员也更细致，指战员的战斗意愿十分强烈。
经过战前侦查、及地下党提供的情报，运城内共有胡宗南部两个团、外加一个营，阎锡山部三个团、以及保安部队，共余人，但有各种火炮近百门，轻、重机枪 340余挺，火力配备严密，工事也再次巩固，虽然守军比前两次要多、不过士气很低落。
12月16日晚。
解放军各支参战部队，各以一个团的兵力秘密潜入到距离运城半日行程的地区隐蔽集结，行动计划是：
第2纵队的2个旅，由运城西关至马家窑段发动攻击、突破敌外围防线；第8纵队的2个旅，独3旅2个团，由老北门发动攻击。
17日天黑后。
解放军担负攻击任务的各部队，同时向运城城郊开进，先头各团，以突然袭击的方式、对敌发起攻击，早就是惊弓之鸟的国民党军依托坚固工事、和强大火力负隅顽抗。
阎锡山接报大惊，一面命令运城守军坚守待援，一面严令各支机动部队火速增援运城。
18日。
马晋宁再次回电、要求阎锡山派卡车帮助运兵，由于解放军前面两次进攻运城，守军均坚守月余、而城未破，现在运城守军相较前两次、还增加了两千兵马，阎锡山认为这次至少还能坚守一个月以上，也就不再坚持让马晋宁率部乘坐火车南下，只是限定马晋宁在十日内赶到临汾，与其他增援部队汇合。
20日。
马晋宁亲率第三师从泉阳出发了，当日行军35公里扎营，随军的刁魁义将情况密报给了阎锡山，这个行军速度、十天内肯定赶不到临汾，但在国民党军中、也算说的过去，阎司令也就没有苛责马晋宁，毕竟他的嫡系部队、还有没出发的呢。
12月23日。
解放军已经扫除运城西、北两面登城的全部障碍，计划休整一日、于25日发起总攻。
23日夜，前指接到敌情通报：
黄河南岸之胡宗南部4个旅，正在准备北渡黄河，向运城增援。
前面两次进攻运城失败、都与胡宗南部派兵增援运城有关，有了第二次把围点打援、打成遭遇战的经验，前指决定派出一部分兵力、在地方部队的支援下阻击国民党援军，迟滞其前进速度，为攻克运城争取时间。
同时，调整原定攻城战术，放弃需要较长时间的坑道作业，采取采用云梯和跳板登城的办法向守城国军猛攻，争取在两天时间内拿下运城。
12月24日。
晋省2纵队、8纵队分别提前从城西、城北发起总攻，以城北为主攻。
运城早就被日军、阎锡山建成了一座军事要塞，城高墙厚，解放军缺乏重武器压制城上的守军，国民党军却可以居高临下的阻击解放军发进攻，两个方向上的突击部队由于提前发动进攻，准备的很仓促，数次攻击均未能成功登城。
阎锡山得到解放军开始攻城的消息，担忧之余，立即给增援各部发去急电。措辞严厉的命令各部加快行军速度。
刁魁义拿着阎锡山的电报来找马晋宁，没想到马晋宁直接将两个步兵旅交给他统领，严令各部不得违抗刁魁义的命令，用最快的速度赶往临汾，马晋宁自己亲自带领“摩托化旅”先行一步了。
原来，昨晚马晋宁就收到组织上的战况通报，组织上预计能在30日前攻克运城，所以就算马晋宁一路小跑、也不可能在30日前抵达运城。
解放军由于没有克敌制胜的重武器，激战一日，运城并未攻克。
是夜。
徐副司令员接到前指战报，见前指明天还准备使用同样的战术攻打运城，他不便过多干涉前线的决策、毕竟他不在战斗第一线，对战场情况的了解仅限于战报的描述，徐副司令仔细思考了一阵后，给前指回了一封电报，原则同意他们采取的战术，但建议前指不要放弃土工作业的战术，两种战术同时进行，可以趁攻击部队吸引了敌人注意力的机会，尽可能抵近城墙进行坑道作业，一旦进攻不顺利，可以采用爆破战术炸垮城墙、打开突破口。
12月25日。
攻城部队苦战一天，依旧未能攻克运城，唯一的好消息就是23旅黄旅长在部队发动进攻的同时，命令作为预备队的69团张团长、寻找可以遮蔽敌军视线的有利地形，同时开挖了三条地道，只是天寒地冻、当天的进展并不是很大。
前指为了尽快打下运城，同时也是为了尽可能减少伤亡，决定第二天只派出少量部队佯攻、吸引敌人的注意力，23旅另外两个团也参与佯攻运城，掩护69团进行坑道作业。
前指将战况和明天的战术安排电告徐副司令、得到了他的嘉许和批准。
12月26日。
当地道掘进至城墙不足百米时，一道当年修建运城城墙时，由不合格青砖、以及旧城墙破损青条石深埋形成的隔断，突然出现在暗道前，指战员们多次尝试未果，于是两个坑道里的战士将情况汇报给了上级。
69团张团长没想到会出现这种情况，但7连怎么没回来汇报，难道是他们的暗道避开了隔断？
张团长不敢大意，亲自来到7连的坑道里，发现他们没有被困难吓倒，从隔断处开始向上挖掘，7连一排排长刘明生汇报说，挖不成暗道、就挖交通壕，反正距离很短了，只要交通壕挖到城墙根、就能在城墙下挖出一个安放炸药的炸药室。
张团长听的眼角发红，向刘排长和他的战友们敬了一个军礼、然后就急匆匆赶回团部了，张团长十分清楚，交通壕跟暗道没法比，完全暴露在敌人的枪口下，战士们随时都面临死亡的威胁。
张团长在刘排长他们出现在地面之前，将全团的轻重机枪都调到了7连坑道附近，准备用火力压制城墙上的敌人，掩护刘排长他们掘进。
“哒哒哒！哒哒哒哒！……”
发现城墙上的敌人探头观察城下，张团长立即下令所有机枪开火，将数百米城墙上的敌人压得抬不起头来，敌人虽然不敢探头射击挖掘交通壕的刘排长他们，但敌人不断从城墙上、向下投掷手榴弹、手雷，很快就有一名战士负伤了。
黄旅长得到汇报后，将全旅的轻重机枪都调了过来，还有口径不一的三门迫击炮、仅有的十一发迫击炮弹全调到了69团机枪阵地上，密集的射击这才彻底压制住敌人，迫击炮打了四发炮弹后，敌人投掷手雷、手榴弹的数量也大大减少了。
“轰！”、“轰！”、“轰！”……
城内的国民党炮兵对着城外就是一阵猛轰，但没对解放军构成什么威胁。
天黑时，7连的交通壕已经挖到了距离城墙不到20米的距离上，7连开始将交通壕向下掘进，用暗道通到城墙下的合适位置，开挖炸药室。
是夜，解放军指战员冒着不断投下来的手榴弹、手雷，彻夜开挖暗道，终于在27日拂晓前成功挖好了安放炸药的爆破点。
由于安放炸药的爆破室，有几十米是暴露在敌人视线下的交通壕，所以前指决定将总攻时间定在27夜八时，白天继续从四面佯攻运城。
27日夜。
23旅爆破队只用40分钟时间，就快速完成3000公斤炸药的传递、装填和引爆，将城墙炸塌了一处20多米宽的斜坡。
69团张团长带领突击队迅速突入城内战斗。
国军用猛烈炮火轰击突破口，并以成营成连的兵力，沿城墙向突破口轮番反扑，封锁了突破口，解放军第二梯队被隔绝于城外，张团长带领突击队的5个连被国民党军反包围在突破口内。
黄旅长亲自组织部队发起勇猛反击，24旅王旅长也调部队加入争夺突破口的战斗，他们共同夺回了城墙上的突破口。
突破口恢复后，23旅和24旅一起攻进城内，随后，2纵一部分部队也从西门绕到北门攻入城内，经过一夜激烈巷战，解放军全歼守军1.3万余人，于28日解放了运城，这座古老的凤凰城回到了人民的手里。
28日中午，马晋宁带领“摩托化旅”赶到了临汾，这是解放军三打运城，他第一次赶到临汾，但一切都晚了，得知运城失守，原本慢吞吞行军的胡宗南所部四个旅，当天傍晚就渡过黄河返回河南，让阎锡山两路夹击、夺回运城的计划彻底泡汤了。