弹药奇缺，每人只有几发子弹。统一指挥、战斗作风也有不少问题。9月1日，李达指挥太行军区部队解放了襄垣城。刘伯承立即抓住这一战例，认真总结经验教训，随即主持起草了《晋冀鲁豫军区关于上党战役中某些战术问题的指示》。这个指示，准确地分析了阎锡山军的作战特点，“长于防御，构筑品字形的据点碉堡，控制强大的预备队，实行反突击”，“配置有外围据点，形成犄角之势”；野战（运动战）中，“采取三只老虎爪子的战术（正面钳制左包右抄）”。为此，刘伯承指出：必须采用连续的城市战斗（村落战）和若干野外的运动战才能达成战役的胜利。前者“是一种精细而不痛快的技巧战斗，决不能粗枝大叶用密集队伍一冲了事”；后者又“是有组织而机动的战斗，应以全部精力组织战斗，勇敢的实施之。”
为了使各级指挥员切实掌握战术要领，刘伯承不厌其烦地规定了“城市战斗的战术指导”和“野战（运动战）的战术指导”，对攻城战斗的准备、接城运动、登城战斗、破城后的街市战斗等，对野战（运动战）中的诱敌、设伏、围攻方法以及追击、截击、阻击等，一一作了详尽而具体的说明。
这个战术指示于9月5日发到部队，引起了各级指挥员的强烈反响。有的指挥员高兴地说：“不要嫌对高级指挥员在战术上规定得这么细，我们有了这些，战斗前心里就踏实。”
刘伯承还深入各部队进行具体的检查指导。9月4日，他来到太行军区第十四团。这是原第三八五旅的一个主力团，在抗战中立下了诸多战功。这个团的武器装备算是较好的，战士们手里好歹都有支枪，但子弹严重不足。
刘伯承看到有的战士只有两三发子弹，便问他们有没有信心打好这一仗。战士们齐声回答：“有！刺刀和手榴弹都是极有效的武器。”刘伯承满意地笑了。他从来认为作战制胜的主观因素，一靠士气二靠打法。如今二者兼备，怎么不使他感到由衷地高兴呢！
9月7日，刘伯承与邓小平下达了《晋冀鲁豫军区作战字第一号命令》。
9月10日，上党战役正式发起。刘伯承与邓小平把指挥所设到屯留与潞城之间的故县镇，以便靠前指挥，在充分估量敌我态势、兵力对比、战术优劣和战场条件等基础上，刘伯承与邓小平决定采取首先逐个夺取长治外围各城，吸引长治敌人主力出援，力求在运动中歼灭援敌，而后攻取长治的方针。并确定在逐个夺取外围各县城时，以主力兵团一部担任攻城，以地方兵团、游击队和民兵围困其余各城，不让敌向长治集中；主力兵团大部集结于机动位置，准备歼灭长治出援之敌。在攻城顺序上，为防止敌人利用白晋路与沁县以北的日军相策应，决定按先北后南、由西到东的方向来打。从9月7日到17日，刘伯承与邓小平连续下达了4个命令，依次让部队攻击屯留、长子、潞城、壶关。
长治外围4城的攻坚战紧张而秩序地进行着。陈锡联、陈赓、谢富治、陈再道，分别指挥太行、太岳、冀南纵队英勇作战。为了克服攻坚战武器装备上的困难，各纵队遵照刘伯承的指示，普遍采用夜战、近战，以避开敌人火力优势。炮兵运用抵近射击，步兵利用长梯爬城，时间许可时还采用坑道作业，运送炸药轰城。这些，大大提高了攻城的效果。12日攻克屯留，17日攻克潞城，19日攻克长子、壶关。在攻击屯留时，长治守敌曾出动6000余人救援，因害怕被歼，与打援部队刚一接触即仓惶回缩。以后3城被攻，长治守敌始终不敢迈出一步。
刘伯承见战役第一阶段的目标已经实现，就立即部署第二阶段作战。20日，他与邓小平发布第五号作战命令，指示部队“以勇猛、速决之作战夺取长治城，最后歼灭侵入上党区之敌。”部署上由城东、南、西3面同时攻击，同时放开北关至城东北角，引诱敌军外窜，而于野战中坚决予以歼灭。随后，他们将指挥所移至长治南郊北天河，直接指挥攻城战斗。
3个纵队主力齐集长治城下，按照分工分别向东、南、西3个方向攻击。
长治是上党地区的首府，是过去日军设防的重点，城高壕深，工事坚固。守敌万余人是阎军主力，因一直龟缩不出未有损耗，装备也较齐全。这时天气也变得很不利，阴雨连绵，道路泥泞，城墙湿滑。这些都给攻城带来了困难。
刘伯承十分了解和体谅部队的处境。当天，他特地致电各纵队，指示他们备足梯子、跳板等登城器材，必要时用煤油、汽油火攻，要求战士、民兵多带镐头以便挖掘城墙和交通沟，并强调要“多方研究敌方守城战法准备对策，尤应准备打击其逆袭”。21日，他来到冀南纵队，检查指导攻城部署。因为他知道，冀南部队长期从事分散性的平原游击战争，对城市攻坚战更为生疏一些。经过刘伯承的帮助指导，各部队普遍重视了攻城的技术和战术，有组织地向城垣展开了连续的攻击。至24日，攻克北关等城关据点多处。
27日，刘伯承与邓小平下达第六号作战命令，专门对各部队协同动作、炮火准备、城墙爆破、登城后的纵深战斗及后梯队使用等有关战术问题作了具体规定，以进一步加强攻城的指导。
这时，刘伯承通过内线获悉，阎锡山拟派重兵增援长治，3个师约7000人已到沁县，其先头部队分两股伸向夏店和南里村。刘伯承当机立断，决心以攻城打援的战法，在野战中歼灭援敌。28日，他与邓小平发出第七号命令，作了攻城打援的具体部署。令陈再道指挥冀南纵队和太行、太岳围城部队伪装主力，继续佯攻长治，以吸敌来援，并准备打击长治突围之敌；令陈锡联、陈赓率太行、太岳纵队主力北上打援，结合监视白晋路的第十七师等部队，设伏于白晋路虒亭以南的常垄上村镇一带。
从29日起，刘伯承与邓小平的指挥所又一再前移，以掌握部队的行动。
援敌指挥官第七集团军副总司令彭毓斌预定沿白晋路前进。阎锡山唯恐长治失守，连电催促彭毓斌急进。彭毓斌只得临时决定走捷径，在虒亭率部渡过漳河，改沿虒亭、屯留间大道开进。
30日，刘伯承得报援敌已脱离白晋路改道，立即变更部署，令打援主力依次向虒屯大道两侧转移，并增派第十七师尾敌前进。10月21日，打援主力与敌预期遭遇在屯留西北王家渠、白龙坡至井道上一线。按计划一部正面诱敌继续前进，主力向敌两侧展开迂回，第十七师山敌后向南展开攻击，将援敌合围于老爷岭、西窳、磨盘垴至榆林镇地区。
一连几天，彭毓斌并未察觉刘伯承已置重点于打援，还是一味严令部队火速南进。等到发现破围，为时已晚，只得下令部队就地构筑工事转入防御。
刘伯承下令力求割裂敌人，各个歼灭。激战数昼夜，歼灭部分敌人，敌被迫收缩阵地，最后猬集磨盘垴、老爷岭地区，缺水、缺粮、疲惫不堪。
此时，刘伯承发现原先情报不确，援敌不只3个师7000余人，而是第七集团军副总司令彭毓斌率第二十三、八十三军及省防军等8个帅、两个重炮团，共2万余人。为了加强兵力优势，决定冀南纵队也北上投入打援。刘伯承在电话里跟陈再道说：“长治这块骨头先不啃它，咱们先吃掉眼前这块肥肉。陈赓在老爷岭，陈锡联在磨盘垴已经按住了敌人的两条大腿，你赶快从中间大道往北插，掏敌人的卵子。援敌已陷入我四面包围，很快要发动总攻，你尽快准备出击。”
为避免敌人作困兽斗，故意在北面给敌人留了一个缺口。10月15日，左翼部队攻克老爷岭主峰。援敌在火力打击和政治攻势下，不少士兵纷纷放下武器。
当夜阎军向北突围，迂回部队已先敌占领了虒亭以北之土落村一带高地，截断了敌军退路。刘伯承指挥主力部队从两侧展开平行追击，敌溃不成军。至6日，除2000余人逃脱外，悉被歼灭。彭毓斌被击毙，数十名高级军官就擒。至此，战役攻城打援的第二阶段胜利结束。
长治守敌待援无望，向西突围，企图横穿太岳解放区，逃回浮山、翼城。
战役转入追歼逃敌的第三阶段。刘伯承除以围城部队跟踪追击外，又令太岳纵队从虒亭日夜兼程，直出沁河两岸的马壁、桃川地区，控制沁河，进行兜击。经太岳军区人民武装沿途截击，各追击部队密切协同作战，10月12日，在沁河以东的将军岭、桃川地区，把逃窜的阎军第十九军全歼。军长史泽波被俘。
此役，阎锡山的13个师3.8万人，除逃散3000人外，全部被歼。生俘了3.1万人，缴获山炮24门，轻重机枪2000余挺，长短枪1.6万余支。这一巨大胜利，给进犯的国民党军以迎头痛击，鼓舞了解放区军民打败蒋军的信心，加强了中共在重庆谈判中的地位。晋冀鲁豫军区部队的兵员装备也得到补充，战斗力有了明显提高，从而加速了向正规兵团前进的步伐。
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