然而，天津这个武装到牙齿的堡垒，在解放军的强大攻势下，仅29个小时就土崩瓦解了。东北野战军主力全部入关后，中央军委部署，以4个纵队于北平、通县东南，切断平津、通津联系；以3个纵队包围塘沽，隔断天津、塘沽间及芦台、塘沽间联系，并时刻准备接管平津。
12月13日，中央军委任命接管平津两市的领导人员：“聂荣臻为平津区卫戍司令，薄一波为政委，彭真为北平市委书记，叶剑英为市委副书记、北平军管会主任兼市长，黄克诚为天津市委书记兼军管会主任，黄敬为天津市长。”此时，东北野战军和华北野战军协同作战，攻下北平、天津，全歼守敌，是有绝对把握的，但解放军仍希望通过谈判，以争取敌人放下武器，更为有利。因此，我方派出代表与傅作义方面进行谈判。遵照中央军委的指示，东北野战军主力入关后第一步原拟攻歼塘沽之敌。12月18日上午6时许，毛泽东电告林彪，指出敌恐天津被围，似正准备将津、塘敌十二师集中新河一带控制海口，“如果你们数日内能集中两个至三个纵队，则可从速集中兵力向天津、军粮城之间举行攻击，控制该线，并占领军粮城，迅速切断天津与新河、塘沽等处之联系，使天津之敌（五个师）不能向东集中。”20日，毛泽东、中央军委进一步提出攻击塘沽的计划。至21日，解放军先后攻克军粮城、咸水沽、新河、唐官屯、北塘，以及杨村、杨柳青、静海、宝坻、北仓、宜兴埠等天津外围据点，切断天津国民党军南、北、西退路，切断天津与塘沽间的联系。天津及塘沽完全陷于孤立。
塘沽东临渤海，南为海河，是天津之敌唯一的退路。但解放军对塘沽守军和地形的侦察发现，塘沽河沟交错，池沼甚多，解放军不便构筑工事，炮火亦难封锁海口，无法截断其海上退路；加上新保安、张家口敌被歼灭后，傅部可能企图利用解放军攻塘沽、大沽时突围。因此，中央军委一面调华北第二、第三兵团主力在新保安、张家口两战役结束后参加平津会战；一面决定推迟攻击塘沽、大沽，严防平津塘之敌突围逃跑。12月29日，中央军委接受林彪等人意见，正式决定“放弃攻击两沽计划，集中5个纵队准备夺取天津”。
1949年1月2日，东北野战军完成对天津守敌的包围。自4日起，解放军向天津外围据点发起攻击，炮火猛烈，截至9日止，先后攻占万新庄、灰堆、东局子、王串场、李七庄、三元村等据点，天津城区完全暴露在解放军的火力控制之下。
根据天津城防特点，东北野战军司令员林彪1月7日致电中央军委，提出关于攻击天津的作战部署，因“从东西两面能展开大的兵力，故主攻选择在中部”。“采取东西对进，拦腰斩断，先南后北，先吃肉、后啃骨头的打法”。东北野战军参加攻击天津的部队有：一纵、二纵、七纵、八纵、九纵及六纵第十七师、十二纵第三十四师，共22个步兵师，连同特种兵大部，共34万人。
为了统一领导、组织平、津战役及接管平津地区，1月10日，中共中央决定：“以林彪、罗荣桓、聂荣臻三同志组织总前委，林彪为书记，所有军事、政治、财政、经济、粮食、货币、外交、文化、党务及其他各项重要工作均归其管辖，以一事权而免分歧。两市委、两军管会关于上述工作均直向总前委请示，由总前委向中央负责。”
尽管解放军已完全有能力用武力占领天津，但为减少广大人民的生命财产损失，仍希望能以和平方式进行。1月3日，毛泽东甚至明确要求刘亚楼研究在攻击天津时，是否有办法使工业区避免破坏或减少破坏程度。
11日，解放军发出关于“和平放下武器”的通牒，限12日晚答复。天津国民党军收到通牒后，陈长捷等复信，拒绝接受和平解决的条件。不肯放下武器，企图顽抗到底。陈长捷还错误地判断，解放军主攻方向是北面宜兴埠、丁字沽。并决定分为3个防守区：西北区以第六十二军担任，由天津警备副司令兼第六十二军军长林伟俦指挥；东北区以第八十六军担任，由第八十六军军长刘云瀚指挥；南地区以第九十四军四十三师担任，由陈长捷兼任指挥。12日，毛泽东指令林彪、聂荣臻向傅作义代表邓宝珊指出：“傅如有诚意，应令天津守军于十三日全部开出城，听候处理。守军应负责移交一切公共财产、案卷、武器弹药、被服，不得有任何破坏损失。守军出城，只能携带随身枪弹物品。一切改编细目待出城后再谈。否则我军将于十四日攻击天津。”
人民解放军原计划13日发起总攻击，由于等待国民党守军对我“和平放下武器”通牒的答复，在天津守敌毫无投降之意的情况下，林彪于13日下达“各部应按计划于明（寒）日开始攻击，坚决歼灭该敌”的命令。
14日拂晓，天津战役主攻部队之一的东北野战军第二纵队指挥部进入运河南岸的大卞庄，各突击部队也进入冲击出发地域，隐蔽待命，各种火器均进入指定位置，完成了射击准备。
9时20分，炮火开始破坏性射击。11时30分实施压制性射击。数百门各种口径大炮同时怒吼。顷刻间，敌人的阵地上火光冲天，烟柱四起，硝烟弥漫，鹿砦、碉堡伴随尘土飞上天空。
伴随着重炮向敌纵深延伸，坦克隆隆驶出阵地。小口径火炮直接瞄准抵近射击，掩护爆破组开辟通路。
十团五连爆破手黄才、韩志明连续炸开鹿砦、绊马索，但在接近第三道障碍一个屋顶形铁丝网时，不幸被敌击中倒在血泊里。这时，腰1949年1月14日，解放军向天津守敌发起总攻，次日下午解放天津负重伤的斗广喜忍痛抓起爆破筒，扑上去炸开了铁丝网，完成了爆破任务。
七连爆破组受到敌人暗堡火力拦阻，爆破手相继壮烈牺牲。战士们不仅没有被吓倒反而激起了复仇的怒火，他们前仆后继发起冲击。二班长曹景森把负伤的右臂夹在皮带里，用一只手艰难地匍匐前进，后来左臂也负了伤，他就用头部顶着炸药包一点一点地向前移动，炸毁了绊马索，自己也光荣牺牲了。24名爆破手群威群胆用自己鲜血和生命开辟了胜利之路。
尽管重炮已经有效地压制了敌人火力，掩护了步兵冲锋。但在短兵相接的前沿阵地上，敌明暗火力点依然在嚎叫着。五连、七连架桥队抬着笨重的芦苇桥在敌人火力攻击下挺进，以伤亡70多人的沉重代价，硬是在敌人火力封锁下完成了架桥任务。
尖刀连四连、九连跃出交通沟扑向突破口。九连二班长杨印山见突破口部队拥挤，机智地带领二班从右侧铁丝网的缺口处钻了过去，逼近城下，但遭到城墙和右侧火力点的封锁。团参谋长朱互宁及时指挥各种火器压制敌人，杨印山乘机投出两颗手榴弹，趁着烟雾与金长贵、刘顺登上城墙，3支冲锋枪一齐开火，击退反扑之敌。旗手高福田身中数弹，但他以惊人的毅力把红旗抱在胸前，屹立在城头。四连旗手刘士凯在突破口处牺牲，机枪班长张勋接过红旗登上城头。天津战役前线指挥部当即通报全军：二纵四师、六师首先突破西面城垣。
四连、九连尖刀班突破后，后续部队迅速跟进。然而，就在部队奋力突进的时候，突然又遭密集敌火力侧射。二营营长许俊信中弹牺牲，不少战士中弹倒下，部队被敌人火力压制不能前进。在这严重的关头十团团长王扶之冲出指挥所跑步至突破口。他发现突破口右侧城墙外的破窑洞是敌一暗火力点，当即指挥一门战防炮和两挺重机枪予以消灭，使后续部队迅速冲进城内。这时王扶之腿部中弹负伤，但他仍躺在护城河的冰面上继续指挥战斗。
六师师长张竭诚指挥十六团、十七团沿着芥园大街向鼓楼方向发展。
很快，第二梯队五师师长吴国璋及独立二师师长罗华生率领的部队接到命令投入战斗。指战员早就憋足了劲，他们如箭离弦，锐不可当，沿忠庙大街向东推进。
纵队指挥所跟进前移到三元庄。
部队进展的消息不断传来。
十二团二营夺取了三星纽扣厂之后，向东猛插行至酒精厂，遭到该据点之敌六十二军前指和六十七师师长李学正指挥的侦察营及一九九团阻截。敌据守凹形的五层大楼，居高临下，负隅顽抗。
二营两次强攻都未能成功。纵队指挥所立即令六师将山炮连配属十二团拔掉这颗钉子。十二团团长颜文斌、政委尹培良，组织山炮、九二步兵炮及轻重机枪掩护二营强行爆破。四连九班战士仅17岁的鞠海青，带领两名战士扛着3包共重75公斤的炸药冲向大楼。他不顾个人安危，果断地用只有4寸长的导火索引爆。
“轰隆”一声巨响，大楼一侧倒塌了，十二团跃出掩体，发起冲击，残存之敌惊恐万状，弃楼逃跑的敌师长李学正以下800余人被俘获。
夜深了，枪声、爆炸声此起彼伏。指战员在夜幕掩护下发挥解放军夜战近战的优势，以团、营、连为单位，齐头并进，大胆穿插分割，迂回包围，如同钻进铁扇公主肚子里的孙悟空，在敌人腹部横冲直撞，拳打脚踢，将守敌分割成数块，各个歼灭。
五师十团一营沿忠庙大街向东推进，沿途相继夺取大丰桥、金华桥、金钟桥，攻势凌厉，势如破竹。
前卫三连副连长率领二排经火柴公司、转盘街于凌晨抵近金汤桥。桥头堡之敌的轻重机枪不停地疯狂射击，交叉火力构成一道火网。副连长见正面难以突破，遂令五班长谢永林带8名战士迂回到南侧桥头堡侧后，二排长赵永发率领9名战士迂回到北侧桥头堡侧后，一声令下，两侧同时发起攻击。敌人被我军打得措手不及，狼狈逃窜。
五班长谢永林率领战友乘胜穷追猛打，占领桥西侧碉堡。他们利用敌人的碉堡连续打退敌人的两次反扑，控制了金汤桥。
此时，纵队指挥所致电前指，通报金汤桥已被占领。前指将此消息通报各纵。半小时后，五班与八纵会师共同完成了拦腰斩断的任务。战后五班荣获“金汤桥班“的光荣称号。十七团二营夺取自来水厂之后，一鼓作气连续夺取千佛寺、北洋火柴厂、铃档阁中学，15日拂晓，又协助十八团拿下了青年会大楼。五营移兵南下，沿罗斯福路向城南推进。途中遭遇装备3辆装甲车的1个连增援之敌。六连长铁占山操起机枪猛烈扫射，切断敌人联系，并在战友掩护下对装甲车实施爆破。但是，爆破连续失败，两名爆破手先后牺牲，敌装甲车依然横冲直撞。怒火中烧的铁占山，抓起爆破筒奋不顾身地扑向敌装甲车，“轰隆”一声巨响，炸毁了第一辆装甲车，战友们趁敌人混乱之机，击毁另外两辆。敌人抱头鼠窜，六连跟踪追击，歼敌80余名。六连长铁占山壮烈牺牲。
一路奋力推进的十七团，乘胜包围了驻耀华中学的敌四十三师指挥部，会同兄弟纵队的部队在猛烈攻击的同时，开展政治攻势，俘获敌三二六师师长柴玉峰以下2896人。
独立二师在主力部队进入纵深战斗以后，亦从北运河西岸发起冲击，因敌人见大势已去，军心动摇，兵无斗志。二师很快突破敌防御工事，沿桃花街堤进入市区，与西进的八纵会师，然后分别向东向南扩大战果，肃清了南运河、海河与子牙河之间的残敌。随后在营门大街及新河北大街以东渡过子牙河，协同四师包围了敌一五一师。
四师十二团和独立二师五团夺取酒精厂后，实施穿插包围割断一五一师各团的联系，集中兵力，猛攻敌师部据点——寿丰面粉公司。
孤立无援之敌面临绝境，不得不从大楼窗口竖起白旗。在十二团团长颜文斌与敌代表接触后，敌人竟然提出要让他们交出武器必须谈判，并且要求把他们当成起义部队来对待。
颜文斌随即将这种情况向纵队指挥所作了汇报，部队首长回答道：“告诉他们现在他们没有权利谈判，更谈不上起义，只能是无条件投降。否则全部消灭。”
僵持了不长的时间后，敌师长陈桓命令所属部队投降。随后，各部队乘胜突进搜索，中午时分，十二团消灭了驻北洋大学的残敌。
下午3时许，天津战斗胜利结束。