为了团结和中立地方势力，省政府秘书长周从政将西安事变的真相及五十一军的行动原委，电话告知了新一军军长邓宝珊，邓宝珊所部遂按兵不动，对事件持同情和静观态度。与此同时，五十一军第一一三师参谋长窦光殿，指挥部队分头出动，分别占领电台、电报局、邮政局、中央银行、报馆等要害部门，包围绥靖公署、飞机场及拱星墩中央军兵营等地。一一三师部队在控制中央军兵营的同时，占领绥靖公署，击毙副官、警卫队长等数十人，将绥署主任朱绍良（时在西安开会）办公室的重要文件、档案、电台等带回军部。次日清晨战斗结束，驻兰州的中央军及警察、特务全部缴械。
12月13日，省政府秘书长周从政、五十一军参谋长刘忠干，通电响应张、杨“兵谏”，拥护八项主张，并召集省政府委员开会，邀请地方绅士、社会名流及各界人士座谈介绍西安事变和兰州事变情况，与会者虽感震惊，但多数赞成“停止内战，一致抗日”的主张。为扩大社会影响，争取各界民众支持，五十一军强令国民党省党部控制下的甘肃《民国日报》，登载张、杨八项主张；还派出人员到各学校进行抗日演讲，发动青年学生在街头张贴标语，宣传八项主张。12月14日，于学忠返回兰州，任命一一三师师长李振唐为兰州警备司令，并将一一三师布防于兰州、河口、永登、水埠河一带，预防马步芳、马步青部攻击兰州；令一一四师牟中珩部布防于临洮，一一八师周光烈部布防于定西，预防驻天水之国民党中央军突袭五十一军。
西安事变和平解决后的次日，即12月26日，第五十一军释放被扣押的人员，发还收缴的武器，中央军驻兰各单位恢复常态。民国26年（1937年）二月，******召集东北军高级领到南京开会，迫令东北军分散各地，于学忠免职，五十一军于3月间陆续东调，离开兰州。
（8）抗日战争中的兰州空战
抗日战争时期，兰州是支持全国抗战的大后方之一。苏联援华物资都经过这里运往各抗日前线，又处于中苏交通的咽喉地段。是中国空军的训练基地之一，具有极其重要的战略地位。随着华北、华中大片国土的沦丧，兰州成为日本侵略军进行空袭破坏的重要目标。
抗日战争时期，中国空军在兰州设立第四路司令部（又称兰州空军司令部），统一指挥辖区的空战；空军地勤补给系统，也设立兰州机场总站及维修工厂。驻兰空军作战部队，先后有第八大队（轰炸机）、第十七中队（驱逐机）、第六中队（驱逐机）、第二十五中队（驱逐机）等。兰州机场总站，除辖兰州机场（焦家湾）外，还辖东古城机场（在今榆中县清水驿乡）、西固城机场（在今西固区）、中川机场（在今永登县西槽乡）和临洮机场、张掖大满堡机场。1937年11月甘肃省在兰州成立防空司令部，南京政府国防部派高炮营1个，装备高射炮10门，高射机枪30挺，部署兰州参加防空战斗。苏联政府也陆续派遣几批志愿航空队来中国，支援中国人民的抗日战争1937年11月5日，日本侵略军为配合进攻太原，由北京南宛机场出动的7架轰炸机首次空袭兰州，轰炸兰州机场。12月4日日军飞机11架第二次空袭兰州。中国空军飞机起飞迎战，揭开兰州空战的第一页。
1939年2月5日，中国驻兰空军八大队6架轰炸机乘日机空袭返航之际，尾随追击，当日机降落运城场时，突然发起攻击，投弹60余枚，炸毁日机40多架。中国兰州空军远程作战，首战告捷。2月20日，日机30架袭兰，中国空军和苏联志愿航空队驱逐机一队，与日机展开激烈空战，中苏空军取得击落日机9架的重大胜利。2月23日，日机又出动20架，于上午12时侵入兰州上空，在市区及黄河沿岸一带投弹轰炸。
市民死亡百余人，炸毁房屋千余间。在这次袭击中，兰州空军与敌机展开空战，击落敌机6架。2月29日、30日，侵华日军两天共出动飞机72架次，炸毁民房1200余间，炸死、炸伤平民30余人。
11月27日，日军轰炸机、战斗机共62架，分别从运城机场及包头机场起飞，袭击兰州，集中轰炸黄河铁桥及附近居民区。12月1日，日机15架，分两批袭兰。这次敌机采用欺骗战术，第一批飞至兰州以东空域，突然折返；为时不久，第二批敌机采取大迂回战术，从西南方向突然侵入兰州上空。敌人的企图利用第一批飞机引诱兰州空军飞机起飞追击，待回航降落之际，第二批飞机飞兰，突然袭击机场。当第二批敌机来袭时，兰州空军飞机才升空，从西北、西南两个方向截击，敌机仓皇投弹企图逃脱时被击落一架。12月26日、27日、28日，日机连续3天空袭兰州，投弹2000枚以上，兰州城变成一片火海，烧毁房屋2万余间，死伤市民260人。中苏空军全力抗击，进行激烈的空中搏斗，25日击落日机3架，苏联飞行员古力芝中弹身亡，坠机于市东五里铺。1941年5月21日，日机27架，侵入东郊上空，兰州空军和地面防空部队截击，两架敌机尾部中弹，其余在东郊仓皇投弹百余枚后，也向东逃去。据报载，负伤的1架敌机在途中坠落。
从1937年年11月5日起，到1943年10月4日止，日本空军飞机对兰州和甘肃领空的入侵，包括侦察、轰炸，空战、警戒、策应等，总数多达1487架次。据国民党甘肃省政府1947年不完全统计，共伤亡1343人，其中死亡663人；公私财产直接损失达46.47万亿元（按银元计算）。中苏两国空军和地面高炮，在兰州和甘肃上空共击落敌机27架，击伤2架。
日军飞机虽然长期轰炸兰州，但兰州的交通线路和国际联运线依然畅通，黄河铁桥安然无恙，有力地支持了全国的抗战。应当特别指出的是，苏联援华空军，在地面高炮部队的配合下，沉重地打击了日军，减少兰州人民群众的伤亡和财产损失，为保卫兰州做出了贡献。在兰州上空牺牲的苏联志愿航空队飞行员有司切帕诺夫、雅士、古力芝、郭尔皆耶夫、波拉支诺夫、马特、伊萨耶夫等7人，他们为了中苏人民的友谊和共同的反法西斯事业，献出了宝贵的生命，长眠在兰州的大地上。
（9）解放战争中的兰州战役
兰州战役是解放战争时期人民解放军第一野战军在西北战场上进行的一次战役决战。
彭德怀遵照军委指示，制定了《兰州战役计划》，决心以一部兵力钳制马鸿逵、胡宗南部，集中优势兵力歼灭马步芳主力于兰州，尔后再聚歼马鸿逵部。国民党也企图以马步芳军为主力，凭借兰州坚固的防御工事和黄河天险，同人民解放军在兰州展开正面决战。
8月25日拂晓，解放军向兰州守敌发起总攻，在猛烈的炮火掩护下，担任主攻任务的各部队，勇猛地冲向守军阵地。主要战场有：
【沈家岭、狗娃山战斗】
沈家岭、狗娃山位于兰州城区西南侧，由“青马”主力一九○师防守，野司令第四军攻击。具体部署是：第十一师攻击沈家岭守敌，第十师攻击狗娃山之敌，第十二师为预备队。总攻发起后，第十一师三十一团在团长王学礼指挥下，向守敌发起攻击，很快攻占了沈家岭阵地上的第一道堑壕及1、2、3号碉堡；接着先头部队向第二道堑壕逼进。第三十一团在第三十二团和第三十三团的密切配合下，击退守军第一次反扑，占领了第二道堑壕，并乘势向敌人的核心工事逼进。马继援急调兵增援，以整营整团的兵力进行反扑。满山遍野的敌人光着膀子，挥着马刀，横冲直撞。经过多次肉搏，终于打退了敌人的反扑。
经过13个小时的激烈争夺，第四军以全军伤亡达3000多人的代价，攻占沈家岭与上、下狗娃山，毙伤守敌3800余人。
第四军伤亡的团级干部就有13人，第三十一团团长王学礼、第三十团政委李锡贵、第三十二团副团长马克忠等壮烈牺牲。
【营盘岭、皋兰山战斗】
攻击营盘岭、皋兰山由野司命第六军承担。战斗一开始就打得很激烈，双方形成对峙状态。为了夺取三营子，第六军军长罗元发和政委张贤约，命令军炮兵营和配属的一野直属炮兵团，以山炮、野炮及迫击炮组成炮群，以强大炮火猛烈轰击敌军阵地，支援步兵冲击。
当部队冲向主阵地时，遇到一堵又高又陡的削壁，守敌在削壁上面拼命抵抗，担任主攻任务的第十七师五十团几次攻击都未奏效。在这紧急关头，七连指导员曹德荣，抱着3个炸药包冲上去爆破，但削壁很陡，无法安放炸药包，便用身体支撑炸药包，炸开突破口，用自己的生命为部队开辟了胜利的道路。部队冲上大削壁，抢占前沿阵地。14时，三道峭壁防线均被解放军突破，守军“青马”二四八师大部被歼。17时许，残敌溃退，营盘岭被第六军全部占领并控制了制高点，把红旗插上皋兰山。
【东南窦家山、十里山战斗】
窦家山、十里山由青马“王牌”部队一○○师一部防守。
25日总攻发起后，第六十三军炮兵团的两个山炮营和1个重迫击炮营于10时20分开始连续轰击敌军阵地，敌军大部分防御工事被摧毁。步兵发起冲击，第一八九师五六六团一营三连，从敌人的结合部，攻入阵地，占领一号阵地。紧接着，二营投入战斗，击退敌人的反扑，巩固了既得阵地，并向二号阵地发起攻击。与此同时，第五六五团也从正面攻上去，占领三号阵地；第五六七团三营也加入战斗，协同五六六团三营攻占十四号、十五号阵地。17时许，占领窦家山全部阵地。
在军主力攻击窦家山的同时，第一八七师按照十九兵团首长的作战意图，对敌一八一师进行牵制性攻击，使其不能南援窦家山之敌。26日凌晨，敌军开始溃退，第一八七师命令五六一团追击，扫清十里山残敌。天亮时分，占领东岗镇。
【古城岭、马家山的战斗】
在一野十九兵团第六十五军军长邱蔚、政委王道邦指挥下，向古城岭以南之卜家路口一线迅速展开，向古城岭敌军阵地发起攻击，25日拂晓再次发起总攻，主攻部队一九三师在强大炮火掩护下，向古城岭敌军发起攻击。敌我双方在马家山、古城岭上展开激烈的争夺战长达5小时，往返拉锯20余次，解放军才巩固既得阵地。接着一九三师又连续打垮敌人的14次反冲击，于17时向敌纵深发展。与此同时，第一九四师五八二团从左侧攻上马家山主峰，歼灭“青马”王牌一〇〇师2600余人。
经过一整天激战，南山各主要阵地均被解放军相继占领，敌人坚守兰州的决心发生动摇，当晚利用夜暗全线撤退，企图通过黄河铁桥逃往青海。第七师十九团首先攻入西关，直插黄河铁桥。溃退之敌不断涌向桥头，铁桥上车马拥挤，争先逃命。第十九团猛烈射击，桥上的人、马死尸越堆越多。一辆弹药车在桥上中弹起火，弹片横飞，堵塞了通路。成批的敌人跳入黄河，拽着马尾泅渡，溺死者不计其数。26日2时，解放军完全控制了黄河铁桥，堵死了敌人的退路。第七师二十团和二十一团，从西关攻入城内，展开巷战。二十团前锋连队打垮敌军1营骑兵，占领省政府。十九团一营二连连长贾秋忠，从俘虏口中得知焦家湾飞机场还有大批敌人时，立即指挥全连穿插至飞机场，俘虏敌军500多人，迫降保安部队2000余人，战后被评为战斗英雄。与此同时，第六十三军部队也从东岗镇插入市区，展开巷战，至26日凌晨4时，第七师已将各城门及城内各要点控制，市区内敌军已基本消灭。11时，第十九团一部越过黄河铁桥，占领白塔山。12时，城内残敌亦被肃清，兰州战役胜利结束。
兰州战役，解放军歼灭马步芳部队青海保安一团、甘肃保安一团、四团全部，一八一师、三五七师大部，共计2.7万余人，击溃1.5万余人，“青马”军事集团实力损失殆尽。兰州战役的胜利，打开了进军河西、新疆的大门，加速了西北全境的解放。