9月1日中午，上党的大门襄垣城，被陕西汉子李达用有力的拳头敲开了。
刘、邓和张际春进入新收复的襄垣城。他们在县署二堂的东边寅畏堂召开了紧急军事会议，决定了上党战役方针：首先夺取长治外围各城，吸打由长治出援之敌，然后夺取长治。作战时间为1个月。
会后，邓小平立即赶回赤岸村军区司令部，指挥陈再道、杜义德率领的冀南部队和陈赓率领的太岳部队，向上党地区作向心集结。
9月10日凌晨2时，上党战役正式发起。当时我军面临的局势是，阎军占领的上党地区6城，其兵力部署是以长治为中心，以重兵把守，其余5城则各以千余人守备，兵力较分散，但工事防御及火力配备较强。而我军长期进行游击战，武器装备落后，枪支弹药奇缺，更缺少城市攻坚战的兵团作战经验。因此，我军决定战役的第一阶段主要是夺城打援，即集中优势兵力，先分别夺取长治以外各城，同时诱使长治之敌主力出城增援，从而在运动战中歼灭敌出援主力。
我军首先打响了攻克屯留城之战。担负屯留攻坚战的是太行纵队，同时太岳纵队和冀南纵队则集结于长治至屯留的几个敌必经之地，随时准备歼灭长治出援之敌，其余部队分别监视、包围了长子、壶关等城。在敌军方面，守备屯留城的是阎军挺进第6纵队，千余人，他们依傍城墙及堡垒工事，以较强的火力压制着我军的进攻，战斗较为激烈。这期间，长治之敌曾出动6000余人，于11日、12日两次试图向屯留增援，但终因害怕被歼，加上我个别打援部队过早暴露，敌援军与我略经接触即缩回长治。至12日，我即攻克屯留，全歼守敌，与此同时，我决定乘胜攻取长子并吸引长治之敌出援以消灭之。
长子位于长治西南50华里处。这座城不大，但工事坚固：城墙高2.5丈；沿城有一道3米多宽2米多深的护城壕，壕内积水过腰；城门外碉堡林立，可在不同的水平线上进行直射与侧射；城墙外还设有铁丝网、地雷等，防备森严，不易攻击。城内守敌是阎军挺进第2纵队和该县2个保安大队，共计2100余人。而我军刚从游击战为主转到攻坚战，缺乏经验，弹药又少，一门山炮只有20发炮弹，一挺重机枪才有1000多发子弹，要攻打这样的坚固城堡显然有一定的困难。
陈赓太岳纵队的386旅担负了攻打长子的任务，为了加强攻击力量，陈赓还将决1旅38团配属该旅指挥。在战前军事准备会上陈赓指出：“攻坚、登城，我们部队没有好经验，组织战斗要老老实实，千万不可疏忽、蛮干！”“弹药尽量满足你们，但不会太多，主要依靠手榴弹，要特别讲究战术，以短促的密集炮火，掩护部队一举登城……”会后，386旅旅长刘忠、政治委员张祖谅召集团以上干部，认真研究了敌我态势，做出了具体部署：772团先攻占长子北关，而后在北门登城；沁水县独立团佯攻东门，钳制敌人；20团、38团首先占领西关，而后从西门发起攻击。
9月13日1时许，长子攻坚战打响了。城西的战斗打得比较顺，20团经过5小时的战斗攻下了西关。接着38团也进逼城下。但北面的772团则打得异常艰苦，他们团进攻北高庙，是一座孤陡的小山，筑有坚固的城堡，它是长子守敌的重要屏障，站在小山顶能俯瞰全城，山顶的炮火可越过城墙直射到城内大街上。守敌凭借有利地形和工事顽抗，772团的四次攻击都未奏效。
经过周密勘察，772团及时调整了部署，决定以自己擅长夜战的优势，利用北高庙靠城门的南面工事简单、守备薄弱的缺陷，于夜间发起攻势。在长子攻坚战的第3个夜晚，这个从第二次国内革命战争时期就享有“夜老虎团”称号的部队，以1个排的兵力，趁夜色正浓之际，从敌人意想不到的南面摸上了北高庙，经过短时激战，我军占领了北高庙，砸烂了长子的屏障，攻占了北关。至此，各部队都已先后转入了攻城准备。
我攻城部队组织了梯子组、跳板组、投弹组等，制作了跳板、云梯等登城器材，并在西关、北关实行坑道作业，挖好了通往城墙的坑道，在墙根填塞了大量炸药。经过严密的准备，18日19时，我对长子城发起总攻。
随着两发绿色信号弹划过天空，一声巨响，西门城墙被炸开了一个缺口，与此同时，山炮、迫击炮、重机枪集中火力压制敌人，战士冒着炮火，冲过开阔地，爬过铁丝网，从跳板上冲过护城壕，把梯子架上城墙，仅仅10分钟，突击部队就登上了城头。
紧接着，772团、38团，沁水县独立团也相继攻入城内，向纵深发展，与敌展开了激烈的巷战。20团在击退敌人数次反扑后，夺取了城内制高点——钟鼓楼，从而有力地支援了各团的巷战。战至19日凌晨2时，战斗全部结束，除南高庙守敌1个保安大队逃跑外，其余全部被歼，计毙伤敌300多人，生俘1500多人，活捉阎军挺进第2纵队司令白映瞻。
从屯留之战始，我每攻一城的时候，都以其他主力集结在机动位置，准备歼灭长治出援之敌，从而实现围城打援之意图。但自长子之战后，长治之敌再也没敢出援，我军不能实现打援意图。因此，刘邓便暂时放弃了原来的方案，转而采取分兵加速夺取长治外围各城，以孤立长治的方针。17日，冀南纵队攻克潞城；19日，太行纵队攻克壶关。至此，长治外围各城：襄垣、屯留、潞城、长子、壶关全被我攻克，共歼敌7000余人，长治之敌已完全孤立，成为无足之蟹。我各路大军直逼长治城下。