根据中央军委和平津前线司令部的命令，刘亚楼在1949年1月14日上午9时20分向各部队下达了攻城命令。
那时的东北野战军可不是当年刚出关时的装备了。在东北解放战争中，他们不仅缴获了“运输大队长”蒋介石送上的大批美式装备，还建立了自己的军事工业。那时东野主力部队的武器装备不仅在当时人民解放军中是最强的，就是和一般的国民党军队相比，也毫不逊色。
东野六纵司令员洪学智在谈到他那时的部队时，是这样描述的：
我纵原来的建制是3个步兵师，1个炮兵团。军委和总部又拨给我们1个步兵师（独立第六师）。与此同时，还补入大批翻身农民和解放战士。……组织整顿后，每个步兵连190余人，步兵团3200～3500人，师有13400～13900人，全纵队共有63000多人，编制满员超员，兵强马壮，成了名副其实的“大军”。
部队的装备也进行了调整，每个步兵连有机枪9挺，正副班长及战斗组长装备冲锋枪；每个步兵团，除原有的迫击炮外，又增加了3～5门九二步兵炮；师炮兵营则增加了3～5门化学迫击炮或重迫击炮；纵队炮兵团补充了大口径榴弹炮。旧式武器也都换成了新的，步兵大多换成了三零步枪，其他装备也有改善。
我们纵队把缴获的物资弹药拉了五六十个车皮，除了纵队的野炮团外，东野总部又配属了两个炮团归我纵使用。众多的汽车和由几匹骡马拉的炮车，在公路上一摆七八公里，十分威武。
单个纵队是如此，从整个野战军来讲，就在从东北向关内的开进途中，中央军委于1948年12月9日发布命令，决定将东野原来的炮兵司令部和炮兵纵队合并和扩大，改组为特种兵司令部，其下辖有炮兵第一指挥所、炮兵第二指挥所、战车指挥所、高炮指挥所和工兵指挥所，以上各建制单位除了工兵指挥所是两个团之外，都是三个团，此外还有一个直属迫击炮团。这就是说，我军不仅有了自己的炮兵师，还有了坦克师（当时一般把坦克和装甲车都叫作战车），有了自己的高射炮部队。
为了加强对特种兵的领导，林彪和罗荣桓将原一兵团政委萧华调任特种兵司令员，原东野后勤部司令员钟赤兵调任政治委员。原来炮兵司令部和炮兵纵队的负责人苏进、贾陶、匡裕民任副司令员，邱创成任副政委。
这次攻天津，特种兵就一下子出动了炮兵、装甲兵和工兵共12个团。西面攻击方向是第一主攻方向，炮兵由苏进统一指挥；东面攻击方向为第二主攻方向，炮兵由邱创成统一指挥。
由于我军当时有了如此好的装备，所以，当刘亚楼的一声令下之后，我军强大的炮兵火力就按事先安排好的纵深配置向敌人一齐开火。
单是我特种兵所出动的就有538门各种大炮（包括榴弹炮、加农炮、野炮、山炮和重迫击炮）的炮弹向天津城内敌人的工事飞去。如果加上各个纵队的炮兵，我军的炮群就更为强大。仅以西线为例，就集中了密度空前的各种火炮1230多门，如果以突破正面为1500米计，几乎每一米都有一门60毫米以上的火炮。而整个天津守军的各种大炮只有50多门，只及我特种司令部出动的火炮的十分之一。我军的炮弹准备也相当充分，因为单是在辽沈战役的战场上，我军缴获的各种炮弹就有四十多万发。
所以说，在火力上我军对敌人是占有着绝对的强大优势。第一轮射击是炮兵的“破坏射击”，对各个预定目标总共打了一个半小时，将我东西两路突击部队前方的敌人防御墙和城墙都炸开了豁口，并将豁口附近的碉堡和其他工事大部摧毁。上午11时，又开始了第二轮“压制射击”，将敌人前沿阵地上的火力完全压了下去，使护城河后面的敌人前沿阵地陷于瘫痪。我突击部队在一片炮声之中顺利地突入了天津城。步兵连队突破以后，就在有关部位竖起红旗，引导炮兵对前面的敌人阵地实施“延伸射击”。一部分炮兵连队就这样跟在步兵连队的后面担任支援火力，一直打到了市中心。
这种炮兵和步兵紧密配合的攻城战，在当时我军的战史上还是第一次，取得了很好的效果。
城西攻城部队在一纵司令员李天佑的指挥下是从上午10时开始进攻的。当上万发炮弹落在敌人的阵地上以后，一座座明碉暗堡被炸翻，一道道鹿砦和铁丝网被掀掉，一处处护城河河岸被炸塌，一处处防御墙和城墙被炸开了豁口。这时，敌人也进行了还击，还有两架敌机前来助战。但是。敌人未曾想到在我们的阵地上还有高射炮，于是，两架毫无防备的敌机都被打了下来。接着，我们的坦克迎着炮火，跨越弹坑，冲向敌人阵地；工兵进行爆破，进行排雷。步兵的各支主攻部队的尖刀连跳出了战壕，有如一群群下山的猛虎，向敌人扑了过去。这里的守敌，是六十二军六十七师。
尖刀连的首要任务是渡过敌人的主要防御工事护城河。第一个冲到护城河边的尖刀连是一纵二师四团的“红三连”，在爆破手排除了障碍之后，架桥排跳进了冰冷的河水，架起了渡河的芦苇桥。然后，向被我军炮兵轰开的城墙口冲了上去。上午10时50分，英雄旗手王玉龙首先将红旗插上了天津城头。敌人立即向“红三连”进行了疯狂的反扑，双方在城头上展开了肉搏战。这时，后续部队冲了上来，把敌人压了下去。
但是，“红三连”在这场拼杀中伤亡过半，连长史德宏壮烈牺牲。
在其他突击口，都是以渡河和破城为战斗的最难点。多数连队是用事先准备好的各种架桥办法架设桥梁过河的；有的连队渡河时河水中的冰层较厚，战士们就直接从冰面上硬冲；有的连队渡河时河水较浅，战士们就在结着薄冰的河水中蹚着水向前冲；有的连队和战车部队配合好，将坦克沉到河底，然后在战车顶上架桥。过了河之后，各部队就直向防御墙和城墙冲去。对于防御墙和城墙的突破，大多数部队都未曾遇到太大的困难。从上午10时50分一纵二师突破成功以后，到下午1时30分，全线的10个突破点，有9个突破成功。
在向城中突破的战斗中，东面进攻民权门的英雄尖刀连中出现了一位年仅20岁的英雄红旗手。
民权门是东线最重要的门户，由敌八十六军的四个营防守，还有另外四个营作为机动支援。我军冲击民权门的是八纵二十四师七十团的尖刀一连。当炮兵的轰击暂歇之时，一连用连续爆破在15分钟内炸掉了纵深50米的敌人的11道障碍物，炸开了一条通道。战士们从结着冰的护城河上冲了过去，又炸毁了敌人的几个碉堡。在炮兵的再次强大火力支援下，一连和兄弟连队打退了敌人的多次反扑，终于突破了民权门。这时，20岁的战士钟银根高举着战前由师首长授予的上面写着“杀开民权门”的红旗，奋不顾身地把红旗插上了民权门的城头。敌人的各种武器都向他开火，他的两腿被打断，倒在了红旗旁边。这时，钟银根用尽全力，第二次扶起了红旗。敌人的炮弹炸断了旗杆，他也被炸昏了过去。
可是当他被枪炮声震醒之后，又忍受着常人难以想象的剧痛爬向红旗，用双手抓紧旗杆，用两肘撑地，第三次把红旗竖了起来。直到牺牲，他的双手仍然高高举着。
攻进城之后，对于各部队来说，最麻烦的是在城内纵深发展时的巷战。由于天津城内的街道狭窄，弯曲复杂，敌人的工事修得很多，在战斗中，又要打敌人的工事，又要打敌人的反扑，还得要注意保护房屋建筑尽可能不被打烂。为了进行恰如其分的指挥，几个纵队的领导干部都随着先头部队进了城，把指挥部就设在城里。有时，甚至把指挥所放在最前面和先头部队一道走，例如六纵十七师就是如此。一纵二师的炮兵团五连在攻到罗斯福路的第十二警察分署时，由于楼多街窄，无法展开正常射击，他们就把炮拆开，用肩扛上三楼，用闻所未闻的“大炮上楼”的打法打掉了敌人设在另一座楼上的火力点，从而保护了周围的其他建筑。正由于我军从准备打天津到真正入城打巷战，都十分注意以精确的战术消灭敌人、保护城市，所以在整个战斗中，除了中纺七厂的敌人坚持顽抗，我军在进攻中对厂房有较多损坏之外，包括天津最高建筑中原公司和著名学府南开大学在内的建筑物基本上都得以完好无损，这可以说是攻城战斗中难得的一个重要成果。
作为刘亚楼手中的总预备队的六纵十七师，是一直等到先头部队已经突破之后，才被刘亚楼调出去的。刘亚楼给十七师的任务，是迅速进入城内进行巷战突破。为了完成这一任务，十七师已经准备了好几天。
除了在巷战中最重要的爆破、隐蔽、扑打、联络等技术外，还要尽可能熟悉前进路线上的街道与建筑。
十七师是从西路的一纵两个师结合部的一条交通壕中进城的。为了便于指挥，龙书金师长和徐斌洲政委带着师指挥所和先头部队四十九团一道行动。
四十九团的进展开始比较顺利，不久就打到了天津自来水厂和南开中学附近。用炸药包炸碉堡是十七师的拿手好戏，很快，自来水厂周围的碉堡就被完全解决了，敌人有的被炸死，有的主动走出碉堡投降。可是，在厂房里的敌人却在二楼上继续抵抗。要炸毁这个两层楼的厂房很容易，但这样一来，天津城内的供水设备将会受到严重的破坏。四十九团的赵团长以碉堡的残余作掩护到了楼房的墙下仔细一听，听到里面还有机器的响声，就对部下下令，决不准炸坏这座厂房，可是又必须消灭楼上的敌人。赵团长和几位干部又从各处进行观察，终于发现西边的山墙中间有一道工厂用于检修设备的铁梯，从这道铁梯爬上去，可以翻过山墙上屋顶。于是，在猛烈的火力掩护之下，一个班的战士爬了上去。
上了屋顶之后，用刺刀撬开铁皮屋顶，再用冲锋枪一阵扫射，就将在里面顽抗的敌人全部消灭。这一仗，消灭了敌人，保全了自来水厂，而且自己无一伤亡。
接着，打南开中学，打电车公司，十七师一直打到了金汤桥。
在六纵十七师占领了金汤桥之后，二纵不久也打到了金汤桥。凌晨5时，东路的八纵也到了金汤桥。东西两路攻城主力在预定的会师地点胜利会师。事先定下的“东西对进，拦腰切断”的计划胜利实现。这时，距我军发起总攻的时间只有20个小时。
14日晚上，陈长捷曾经召集杜建时和林伟俦、刘云瀚开会，研究对策。眼见原来以为短期内无法攻破的天津城防在一天内就被解放军的强大炮火打得粉碎，肯定无法继续坚守，陈长捷表示愿意找杨亦周等人去与解放军商谈和平，特地为此向各位征求意见。这时，在场的几人都说“应当应当”。杜建时就连夜去找来了杨亦周和天津工商界著名人士李烛尘，共同草拟了一份“和平宣言”，请杨亦周在电台上广播。可是，这时为时已晚，解放军的枪口已经逼近天津守军的胸膛了，还有什么商谈可言？更何况，在这炮火连天的战斗中也没有几个人在听广播。所以，这份“和平宣言”没有起到什么作用。不过，有少数国民党部队从广播中得知了这一消息，立即就在住处插上了白旗，向我军主动投降。
而我军攻城的各路部队，则仍然继续向敌人发起了扫荡式的进攻。
在各路攻城大军中，一纵最早攻到天津的国民党守军司令部，即陈长捷的天津警备司令部。一纵为了顺利拿下警备司令部，特地对部队作了安排。一师的任务是攻克核心区，活捉陈长捷；二师的任务是进占胜利桥地区，保障一师的左翼；独立十师的任务是直插南开大学，保障一师的右翼；三师和六纵的十七师则要配合一师攻打警备司令部的外围据点。
一纵一师师长江拥辉亲自指挥配有坦克的一师一团直取警备司令部，三团攻打警备司令部西南屏障海光寺，二团攻打其西南据点耀华中学（今天津十六中）。15日的拂晓，一团团长刘海清在地下党派来的4位工人同志的指引下，先是解决了警备司令部旁边的中原公司守军，然后就率领着指战员向敌人的司令部大楼发起了攻击。当指战员逐步消灭了大楼两侧的火力点，冲入大楼之后，同敌人展开了逐屋的争夺战。
自己知道已经无力抵抗的警备司令部特务营没有作顽强的抵抗，就放下了武器。我一团二营六连在大楼里从楼下冲到楼上，又从楼上冲到地下室。副排长邢春福和几个战士在一个地下室里先俘虏了二十几个敌军参谋人员，然后在当年日本占领军在这里修造的日本神社“忠烈祠”的地下室里俘虏了7名高级军官，其中，就有陈长捷和他的中将副司令秋宗鼎、少将高参杨威，蒋介石从南京派来的视察官程子践。他们和被俘的警备司令部其他官兵约1000人，全部被集中到了院子里，来了一个“全线投降”。这时，二营副营长朱清绪从俘虏中找出了敌人的电话员和电报员，让他们尽可能检查设备，接通线路，然后要陈长捷给当时可能联系上的各个下属部队下达投降命令，陈长捷只得同意。于是，在我军战士的枪口之下，陈长捷给所属部队下了他最后的一道命令。
当邢春福等将陈长捷押出警备司令部大楼时，是15日下午1时30分。
陈长捷很快被押到了一纵一师的临时指挥所。当李天佑司令员和梁必业政委来到一师时，一师向他们报告说陈长捷已被押了下来。李天佑对梁必业说：“我和陈长捷还有过一面之交，我们先去看看。”原来，1938年夏天山西的抗日战场上，在晋西南的午城镇战斗之前，当时担任我八路军六八五团团长的李天佑与六八六团团长杨得志为了与国民党军队配合作战的问题，曾经请当时担任晋军六十一军军长的陈长捷在杨得志的团部吃过一次饭。李天佑问陈长捷：“你还认识我吗？”陈长捷没有作答复，可能是不认识了。李天佑再问：“你为什么不命令部队缴械投降？”陈长捷说话了，而且是一句真话：“我从早上四五点钟就和各个部队联系，但联系不上了。”
不过，他与北平的电话联系是当时较为先进的无线电话，所以他一直在与北平的华北“剿总”总部参谋长李世杰联系，要求傅作义想法援救他。李世杰总是按傅作义的交代表态，总是要他设法恢复失地，坚守到底。傅作义所以自己在与解放军进行和平谈判的同时，却又要陈长捷坚守到底，其实完全是为了在自己的谈判中用尚能坚守的天津来为自己增加一些筹码。而陈长捷在完全忠于傅作义的原则之下，也就顽抗到底而当了俘虏。正因为如此，在1月14日这天晚上，傅作义是一夜未眠，一直在收听天津战况的报告。15日早上7时左右，陈长捷和傅作义本人直接通话，当傅作义知道了天津城防已完全被解放军突破，天津即将被解放军所攻占时，他才向陈长捷说了一句：“可以接洽和平吧！”可是，这时已完全是大势已去，为时晚矣。当陈长捷和傅作义通话尚未结束之时，我军已经冲入了陈长捷所在的地下室。陈长捷这时正拿着话筒在说“解放军离我不远了，正和警卫部队激战中”，最后半句话是“他们进来啦……”这最后的话，傅作义应当是听得清清楚楚的。
最先打到天津市政府的，是九纵二十七师的部队。那里的警卫部队是一个手枪连。经过喊话，手枪连一枪未放，缴械投降。在楼上的天津市长杜建时在手枪连投降后，自己走出来向我军自首。
与此同时，一纵三师七团攻入了法租界，经过激烈的战斗，攻占了设在小白楼中的国民党八十六军军部，八十六军军长刘云瀚和六十二军军长林伟俦都在那里（林伟俦到陈长捷那里开完会之后，金汤桥地区已被我军占领，他已无法回到自己的部队，就只好来到了八十六军的军部），他们二人也就在那里一起当了俘虏。
天津攻城战的结束时间，是15日下午3时。敌人的13万守军被我全歼，我军的总伤亡只有两万人左右。
1949年1月7日，林彪在给中央军委的电报中就已说过，攻打天津的“整个战斗当能迅速解决”。1月14日，天津攻城战斗打响的这一天，林彪对邓宝珊说，打天津只要三天。现在，天津打下来了。实际上只用了29小时。