敌人非常重视护城河的作用，千方百计提高河水水位，并且每日以数千人在河上打冰以防结冻。所以，一旦开始攻城，护城河将足我军首先遇到的一大障碍。刘亚楼和各纵队、师领导干部充分发动群众，发扬军事民主，开展“想办法运动”。指战员们争先恐后，献计献策。坦克兵纷纷要求说：“把坦克开到护城河底，在坦克顶上搭门板桥、木头桥，这样最快。”并坚决表示：“淹死自己一人，让几万个战友冲过走。这样的牺牲也足光荣的！”刘亚楼和纵队指挥员被可爱的战上们的自我牺牲精神感动得眼泪直在眼眶里打转，但坚决不批准这一要求。
第一纵队首先创造了一种芦苇桥，取材方便，浮力大，容易架设，3分钟就可通过1个连。刘亚楼立即在该纵队驻地召开制作、架设芦苇桥现场表演会，让其他纵队、师、团指挥员来学习观摩、仿效推广。结果，只用3天时间，各部队就创造出了芦苇桥、汽油桶桥、活页桥、梯子桥等十几种渡河办法。
要迅速突破天津这样的城防工事，步兵、炮兵、工兵、坦克兵之间的默契协同是个关键，但部队缺乏这方面的经验。刘亚楼白天下部队检查战前准备工作，晚上研究各兵种协同问题，很快制订出了《突破前沿阶段中各兵种协同动作的次序》，下发部队。这是个具体、简明的协同作战计划，它针对天津攻坚作战要克服护城河障碍这一特点，主要根据炮兵射击时节的区分，规定了“破坏射击时”、压制射击时”、“克服护城河时”、“向纵深发展时”4个步骤中的步兵、炮兵、坦克兵、工兵的具体动作顺序。刘亚楼一再指示各兵种部队首先是干部必须把4个步骤的动作顺序背得滚瓜烂熟，并令部队按照协同动作计划反复演练。
攻津部队白天很紧张，夜里更繁忙。夜幕降临，敌人阵地上死一样沉寂，而我军指战员在夜色的掩护下，争分夺秒，挥动锹镐，进行迫近作业。指战员们不顾寒风呼啸，不怕冻上坚硬，一锹锹，一镐镐，一点点向前掘进。用了近10个夜晚，仅第一、第二、第九纵队就挖了总长达40多公里的壕沟。深1．5米、宽1．2米的交通沟，弯弯曲曲，纵横交错，直抵敌人阵地前沿，有的地方离敌只有30米。
总攻之前，最主要的任务是扫除天津外围据点。敌人知道失去外围据点就失去了屏障，所以拼命死守，我围城各部队夺取外围据点的战斗打得相当激烈，1月3日克曾新窑、万新庄，5日克灰堆、张八坟，7日克东局子、营盘、李七庄、赵兴坝、凌家庄，8日克三元村、丁字沽、王串场、四合窑、范家堡，9日克王家坝、北新庄，10日克吴家嘴，12日克姜家窑、浙江公墓、广东义地等。至此，外围据点基本扫清，共歼敌4800余人。
1月10日，中共中央决定以林彪、罗荣桓、聂荣臻3人组成中共平津战役总前委，林彪为书记，由总前委“统一领导夺取平津，并于尔后一个时期内（大约有3个月）管理平、津、唐及其附近区域的一切工作。”总前委驻北平附近的通县宋庄，平津前线司令部机关也已由孟家楼村移至这里。
当天，刘亚楼来到宋庄向总前委汇报攻击天津的作战部署和攻城准备情况。林、罗、聂听后，均十分满意，并决定在14日上午10时发起总攻。
林彪说：“好，就这样上报军委。”
这时，罗荣桓侧身向坐在身边的刘亚楼问道：“军委限令3天拿下天津，你需要几天？”
刘亚楼回答说：“我不好讲，3位首长定。”
“48小时怎么样？”林彪以目光征求罗、聂的意见。
罗荣桓、聂荣臻都点头说：“好！”
这时，刘亚楼满有把握地说：“要我说，30个小时就够了。”
林、罗、聂都一惊。
聂荣臻说：“军中无戏言喽！”
刘亚楼解释道：“我和陈长捷的兵力是三比一，我手里还有他最详细的布防图。”
林彪说：“那好噢，我们就上报军委30个小时。”
刘亚楼立刻说：“别别别，还是按3天搬上去，我满打满算，按30个小时使用就是了。”
罗荣恒，聂荣臻都笑了。
林彪说：“好吧，上报3天。”
在我军兵临天津城下的日子里，中央军委指示，也不要放松政治攻势，力争陈长捷放下武装，以使天津免遭炮火。林彪、罗荣桓于1月6日亲笔签署了一封给陈长捷的信，劝他仿效长春郑洞国自动放下武器。刘亚楼派一名通信员摸到敌人阵前喊话，将信送到敌六十二军军部，然后转送剑了陈长捷手里。
陈长捷是傅作义的心腹，两人都曾是晋军阎锡山手下的将领，彼此有多年的袍泽之交。陈长捷接信后，向北平打电活请示傅作义，傅的参谋长李世杰回答说：“坚决守住天津，就有办法。”陈长捷便复信拒绝放下武器，但表示可以派代表商谈。
陈长捷两次派代表出城。第一次，刘亚楼在城南我军的一个驻地会见了他们，并根据中央军委的指示，表明了我方态度。过了几天，陈长捷第二次派出4名天津参议会代表出城，打着白旗乘着吉普车来到杨柳青，提出要进一步谈判，双方再议条件。其实，陈长捷派代表来谈判是假，刺探军情、拖延时间是真。
刘亚楼便来个将计就计，待我军前沿阵地的两名战士护送这4名代表进了杨柳青时，他派通信员把他们带到平津前线指挥部隔壁的一间屋子里休息，并让联络参谋通知他们说：“刘总指挥正在路上，大约25分钟后才能赶到，请你们稍等片刻。”
刘亚楼在指挥部里等了20多分钟后，穿上大衣，从后门出去，坐上一辆吉普车往天津以北发电厂方向绕道一圈，再回来，而且有意让他们看到车从城北开来，车轮上沾满泥巴。刘亚楼也假装风尘仆仆的样子，一进门就连声道歉：“对不起，对不起！我紧赶慢赶。还是未按时赶到，让诸位久等了。”
4名代表站起来，说：“刘将军辛苦，请不要客气。”
一阵寒喧过后，刘亚楼严肃地说：“请诸位先生转告陈长捷，我方态度早已表明，今天再次重申：（1）天津为华北主要工业城市，人民解放军甚望和平解决，以免遭受战火破坏。（2）一切天津国民党军队应自动放下武器，人民解放军保证这些军队官兵生命财产的安全及去留自便。（3）人民解放军停战24小时，等候天津守军的答复。（4）如果天津守军不愿自动放下武器，则人民解放军将发动进攻，天津守军的首领们，应担负令天津遭受战争破坏的责任而受到严厉惩罚。”
刘亚楼最后又加重语气，说：“上述限24小时内答复，天津守军至迟应于1月13日12时前放下武器，否则，我军将于14日开始攻城。”
这4名代表点头哈腰地表示：回去一定向陈长捷如实报告。
待4名代表离开杨柳青，刘亚楼立即调几十门重炮到天津北面，不断轰击敌人在城北的工事。
陈长捷听了4名代表的报告，见刘亚楼已发了“最后通谍”，又急忙给北平打电话，请示怎么办。李世杰还是那句话：“坚决守住，就有办法。”于是，陈长捷在最后仍决心“哪怕战到房无完瓦，地无净土，也要死守天津，以对得起傅总司令”。并向守军官兵发布了谁临阵脱逃，其直接上司就可当即枪毙的骇人听闻的6条军律。
陈长捷还根据4名代表所见到的情况和城北不断有解放军的重炮轰击，判断：“共军的主攻方向在城北，刘亚楼的指挥部肯定设在天津以北的杨村或宜兴埠。”
敌六十二军军长林伟俦提醒他：“许多迹像表明，刘亚楼的指挥部在杨柳青，共军的主攻方向可能在西南面。”
陈长捷不以为然地说：“侦察有误，侦察有误！”并当即下令将他的“王牌”部队151师从金汤桥核心地区调到城北，以加强那里的防守。
陈长捷自以为得计，确不知正中了刘亚楼的“将计就计”。
挥雄师一举取天津气如虹军威撼北平至1月13日，攻城一切准备。工作就绪，我34万大军盘马弯弓，只待号令，大战天津。
13日深夜，疏星淡月，天气格外寒冷。刘亚楼虽然几天几夜未能合眼，可还是不听众人劝阻，非要抵近前沿阵地，再作一次战前实地观察不可。刘亚楼带领几个警卫员，顶着西北风，朝和平门方向的“真空地段”走来，这里将是明日的主要突破口。他站在一个土堆上，久久地眺望着前而他早已熟知的外围工事、护城河、碉堡群。
从对面传出的模糊不清的声音里，从移动的灯光中，判断城内敌人有什么变化，想像着在明天的决战中，可能会出现什么还未预想到的情况……”他忘了严寒和危险，目不转睛地观察着。市区北面，灯光闪闪，人声嘈杂，汽车的轰鸣声、喇叭声隐约不断。
“看来，城里地下党组织送来的说陈长捷认为我军主攻方向在城北的情报是准确的，对手真的中计啦！”刘亚楼心里泛起一阵快慰和欣喜，这些天高度的紧张、劳累顿时缓解了许多。刘亚楼正在高兴之际，突然前面不远处闪出一路人，强烈的手电简光束乱扫。
“什么人？”对方色厉内荏地发问。
刘亚楼立即明白遭遇上了敌人的搜索队。他和警卫员们在黑暗中非常默契，迅即回答了敌人一阵驳壳枪声。与此同时，敌人的子弹也“嗖嗖”从头顶、身边飞过。刘亚楼和警卫员们趁夜幕迅速脱离了险区。
回到指挥部，警卫员们仍捏着一把汗，一脸的不高兴：“本来我们不让首长去，首长却非要去不可，真有个三长两短，可怎么交代呢！”
刘亚楼却笑哈哈地很开心，边洗脸边说：“小伙子们，这倒是个好兆头，仗未打响主帅险些被擒，说不定啦，仗一打响，他们的主帅被我们生擒呢！”
已到后半夜了，刘亚楼仍毫无睡意，在屋里走来走去。一种几十万大军决战前夕的冲动和历史的巨大责任感，使这位38岁的总指挥心潮澎湃，不能自已。
14日清晨，天津上空浓雾弥漫。趁浓雾的掩护，攻城各部队都已进入阵地。9时左右，浓雾渐渐散去，红日映照白雪，敌人的外围工事清晰可辨。炮群掀掉了伪装，炮筒昂起了头。
在天津前线指挥部里，刘亚楼右手手拿已接通各纵队指挥所的电话，两眼紧盯着左手腕上的手表。10点整，刘亚楼一声令下：
“总攻击开始！”
随着三颗绿色信号弹腾空而起，顷刻间，500多门大炮一齐怒吼，进行“破坏射击”，千万发炮弹呼啸着飞向天津城垣，城墙上下顿时硝烟滚滚、砖石横飞，一个个碉堡上了天，一座座炮楼着了火，一道道铁丝网、鹿砦被摧毁。大地在颤抖，城墙被撕开了一个个口子。
突然，敌人两架P-51“野马式”，战斗机从东南方向我阵地飞来。高炮1营迅速一阵“集火射击”，两架敌机便拖着浓烟，坠落下来。以后，敌机就没有再敢接近战区。
在炮火的掩护下，工兵、爆破组冒着枪林弹雨，排除地雷，炸毁铁丝网、鹿砦，前赴后继，开辟通道。架桥队、突击队进入冲击阵地。
“压制射击”开始，所有火炮向护城河对岸敌前沿阵地、突破口。
两侧的敌人猛轰。坦克迎着战火，隆隆出动，跨越弹坑，冲上护城河堤岸；架桥队抬着架桥器材，冲入护城河，跳进冰冷刺骨的河水里，迅速架桥；敌人的一排排炮弹落下，勇士们的鲜血染红了河水，染红了浮桥……
此刻，城西、东、南三面，各路突击队冲出战壕，踏着战友们用生命和鲜血开辟的道路、架起的浮桥，高喊着为牺牲的战友报仇的口号，不顾一切地越过护城河，向各个突破口猛烈冲去。炮兵进行“拦阻射击”。轰击向突破口反击的敌群。
各个突破口都展开了恶战。敌人从残破的地堡群里，从地下工事里，从楼房里。一窝蜂似地向所有的突破口凶猛反扑。敌坦克也出动了，敌炮火拼命封锁被我炮兵轰开的城墙豁口。
突破门硝烟弥漫，弹片琶，刺刀闪动，杀声震天，敌人的反扑一次义一次被击退。
11时，第一二纵队4师突击队首先突破成功。刘亚楼在前线指挥部里立即通报各纵队：“4师首先突破西面城垣！”
紧接着，城西第一纵队的2师、1师和第二纵队的6师，城东的第七纵队19师、21师和第八纵队24师，也突破成功。第八纵队22师连续突击未成，改由24师突破口入城。
24师70团尖刀1连协同动作做得最好，仅3分钟就突破民权门。英雄旗手钟银根为护卫插上城头的红旗，身上连中数弹，躺在血泊里，双手仍举着旗杆。红旗不倒，雄风就在1尖刀1连的战士们就是在这面血迹斑斑、弹痕累累的战旗下连续打退敌人20多次反扑，杀进民权门。
城西和平门侧的突破口，战斗最为惨烈。第一纵队2师4团尖刀连——“红三连”的战士们，见我军炮火已把城墙轰塌了。又见左邻突击队在已排除障碍的地段插上了小红旗，由于求胜心切，提前发起了冲锋，涌向突破口。李天佑司令员、梁必业政委立即果断命令向这个突破口进行拦阻射击的炮火向前延伸，以免误伤“红三连”。“红三连”在突破口内外、城墙上下与数倍于已的敌人展开了肉搏，伤亡过半，英雄连长史德红壮烈牺牲。正当危急时，“钢八连”杀了上来，才巩固住了突破口。
东、西两面城垒被突破后，担任主攻的后续大部队如潮水般涌进突破口，以排山倒海之势，向天津拦腰杀去。
主攻方向的8个突破口，7个一举突破成功。刘亚楼立即令主攻预备队投入战斗。早就憋得心急火燎的第六纵队17师如离弦之箭，从第一纵队突破地段飞速冲进城内。
在城北佯攻的部队也正打得激烈，把敌151师紧紧地吸在那里。
在城南担任助攻的第九纵队和第十二纵队34师的将士们也不甘示弱，于下午1时亦打开两个突破口，向北推进。
刘亚楼原来担心的是东、西两面突破后，敌人从城南突围。计划中，只要城南部队能顶住，不让敌人突围，待东西主攻部队会师后，再向南压过去，那时助攻部队能突破进城，围歼城南的敌人，就算完成了任务。没料到他们竟能这么快地突破了城南那样坚固的工事，刘亚楼欣喜万分，在电话里对詹才芳司令员、李中权政委说：
“你们这么快也打进城了，太好啦！说明九纵和34师是过得硬的。”
李中权笑着回答说：“参谋长，在这样的大战面前谁甘落后呀！”
此时，在敌指挥部地下室里，陈长捷如梦初醒，捶打着自己的脑袋，连连呼喊：“我上了刘亚楼的当啦，上了刘亚楼的当啦！共军主攻方向是在东西两面，这是要来一个拦腰斩断呀！”
敌副司令秋宗鼎急忙说；“是不是把151师调回金汤桥？”
陈长捷哭丧着脸：“晚啦！已经晚啦！”
但是，陈长捷仍要作垂死挣扎。敌军依靠市内坚固工事和有利地形、地物进行顽抗、反扑，不断出动坦克、装甲车，气势汹汹，妄图阻止我军深入，梦想夺回失去的阵地。
我军和敌人展开了激烈的巷战、街垒战。战士们大胆灵活地运用分割穿插战术，打洞穿墙，攀壁越顶，直插猛进。
部队向纵深推进很快，各纵队、师的指挥所移到城内。第一纵队副司令员曹里怀和师长贺东生乘着坦克奔向第一线指挥。坦克开到一幢大楼跟前，见楼里的敌人正凭着坚实的钢筋水泥墙壁死守，战士们用炸药包未炸动，曹里怀对坦克驾驶员说：“来！我们替战士们开路，给敌人一点厉害！”坦克立即往大楼冲去，几个回合的冲撞，终于撞开了一个大窟窿。战士们不知道坦克里坐着他们的副司令员和师长，只顾欢呼着随坦克冲进了大楼，有的爬在坦克上朝舱内亲切地喊：“同志，你们是哪个连的？我们请求你们指导员给你们记一功！”