5月16日，“前指”察觉破城坑道有被敌破坏的危险，便决定提前一天发起总攻。随即连夜装填炸药，到17日12时，第23旅在自己挖的两条坑道内，一条装黑色炸药1.24万斤，一条装黄色炸药6000斤。15时，集中炮火开始摧毁突破口两侧敌火力点，19时坑道点火，随着火光一闪，“土行孙”大显神通，只听轰隆两声巨响，坚固的城墙被炸开两个近40米宽的缺口，外壕同时也被填平。
23旅69团突击队首先登城，后续部队相继跟进，该旅一部沿城墙向北发展，迅速占领了东北角，其主力则向纵深发展。24旅一部沿城墙向南发展，很快夺取了东门城楼。
13纵随后也突入城内，直插纵深，分割包围，各个歼灭诸据点之敌。
24时，战斗胜利结束。梁培璜率残部2000余人由西门及其以南企图跳城墙突围，被我22旅和39旅堵歼大部，其余向山区逃窜。
7、 活捉守敌3个重要人物
5月18日，经过72昼夜的奋战，晋冀鲁豫解放军终于降伏了“卧牛”，“卧牛城”回到了人民的手中。
然而，敌防守临汾的三个重要人物——梁培璜、徐其昌、谢锡昌这时还没有捉到。
东关失守时，阎锡山惶惶不可终日，忧心如焚。4月3日，他派出第61军副军长娄福生，乘坐小飞机降于临汾城内传达他的命令：死守临汾不动摇，愿梁将军与全体将士与城共存亡，人尽物尽，城存成功，城亡成仁。并告诉梁培璜“不要希望援兵”。
梁培璜还真的给阎锡山发了个回电：“本人愿与全体将士死守临城，与城共存亡！”又在他的床底下放了一些干柴，旁边放了一桶汽油，对娄福生说：望兄弟回去回报阎长官，这便是我梁某与城共存亡的决心。
事实上，梁培璜在3月9日就已发出“参战字第114号代电”，说：“临汾之保卫战，已入严重阶段，本官已下定决心与临汾共存亡，如中途战死，即以徐师长其昌为本官之第一代理人，谢副旅长锡昌为第二代理人，继续执行保卫临汾之任务。”
这时，临汾城内守敌，仅剩第30旅还有一些战斗力，但兵员已明显不足，而且士气沮丧。但是，残暴成性的梁培璜仍不甘心失败，一面重申他规定的“八杀”命令：奉命进攻不进者杀；奉命赴援不进者杀；未奉命令放弃阵地者杀；邻阵被攻有力不援者杀；邻阵被陷不坚持本阵地者杀；滥用射击虚报弹药、阵前无敌尸者杀；谎报军情企图卸责者杀；主官伤亡次官不挺身而代行职者杀，企图以此种恐怖手段胁迫部属为其卖命。一面将第30旅调至城外，争夺地面阵地，并大肆搜捕城内青壮年和学生补充兵员，强迫居民加修工事，增筑碉堡，决心死守。
梁培璜虽然多次向阎锡山发誓要“与临城共存亡”“城存成功”，“城亡成仁”。但是，当5月17日晚我军对临汾城发起总攻时，梁培璜感到自己的末日已到了，于是带了6个随从人员，仓皇出西门逃命去了。逃到汾河边，我军的枪声急速地从后面飞来，他们来不及脱下鞋袜，就跳下水去。过了汾河，枪声仍然从四面八方传来，并且到处隐隐约约传来我堵溃部队“缴枪不杀”的喊声，他又惊又急，走了一个通宵才到了汾河西岸姑射山下的麦地里。他们真是又饥又饿又困，便躺在麦地里睡着了。
第二天早上太阳出来后，他们从麦地里爬出来晒衣服时，被我军俘虏了。（《人民日报》，1948年5月28日）
徐其昌和谢锡昌也是在5月17日晚逃出临汾城的。
5月17日晚上，当我军攻进临汾城，过了内壕，逼近城内核心工事鼓楼时，徐其昌凭着往日的经验，一看要坏事，便从西城门一个小门缝钻出去，连滚带爬地跑到汾河岸边，穿着鞋袜跳进河里，上岸后，由于鞋子陷在淤泥里，就向人要一双鞋子穿，但因鞋不合脚，加上胆战心惊，想跑，两腿又不听使唤，便钻到下圪垛村藏起来。梦想躲过风头再跑回太原。然而，这一次他的逃跑梦算是做到头了。30日，我河西部队到下圪垛村搜捕残敌时，终于将其活捉。
再说谢锡昌，17日晚他从临汾突围逃出城后，拼命地往西逃窜，沿途遭到我堵击部队的堵击，被打得惶惶如丧家之犬。20日，当他率领残兵败将130多人逃到乡宁牛王庙东的西南沟村时，又遇到我堵击部队，也只好束手就擒。
5月18日，我军举行了入城仪式，王新亭陪同徐向前进入临汾城。傍晚，被俘的梁培璜低垂着脑袋站在徐向前面前。
徐向前见他还光着脚，就叫人拿了一双鞋子给梁培璜穿上，接着问他：“你是保定军校第几期的？”
梁培璜回答：“第三期。”
“打了几十年仗，难道没有记住‘无必救之军者，则无必救之城’这条城防基本法则吗？”
“知道……”
“明摆着临汾是座孤城，阎锡山远水救不了近火，胡宗南自顾不暇，蒋介石更帮不上手，你为什么还要在这里死守？”
梁培璜无可奈何地叹了一口气。
徐向前又问他为何要使用毒气？他企图抵赖，直到指出种种证据，他才认罪。再问他原来有何打算，他说：“贵军如果晚两天攻城，我们就要突围了。估计西山是个缺口，想从那里逃往西安。”
徐向前说：“到处都是天罗地网，走不了哇！”说完，吩咐把梁培璜的家属找上，让他们团聚。这时，这个“保卫临汾总指挥部”的总指挥，真有点不相信自己的耳朵了。
8、 盘点
临汾战役，历时72天，歼灭守敌1个师部、1个旅部、6个步兵团、1个炮兵营，非正规军8个团及军政机关等，毙伤5000人，俘梁培璜以下1.8162万人，共计2.3162万人，缴获各种炮554门、轻重机枪1224挺、步马枪1360支、炮弹7517发、手榴弹6.5722万枚、各种子弹217万多发。临汾前线解放军伤亡1.5333万人，消耗各种炮弹9.5123万发、各种子弹164.5万余发，以及炸药5万多公斤。拔除了晋南地区国民党军的最后一个据点，使太岳和吕梁解放区连成一片，有力地配合了中原和西北解放军的作战，并为而后消灭阎锡山部主力创造了有利条件。徐向前在1948年8月16日的一次讲话里指出：“打临汾的经验要很好接受，那时假如说我们指导得好，打得好一点，是不是可以不需要七十天时间，早一点打下呢？是可能的。是不是不需要伤亡那样多？也是可能的。”（《华北军区关于临汾战役总结》）
在临汾攻坚战中，第8纵队第23旅战功卓著，经临汾前线指挥部报中央军委批准，授予“临汾旅”的光荣称号。6月4日，第8纵队在洪洞召开庆功大会，徐向前将“光荣的临汾旅”锦旗授予该旅，并勉励其戒骄戒躁，奋勇前进，打到晋中去，解放太原城，活捉阎锡山。
5月19日，中共中央电贺临汾大捷：“庆祝你们解放临汾，全歼阎、胡守敌的伟大胜利！尚望继续努力，为消灭全部敌军，解放全华北而奋斗！”21日，中共中央华北局致电徐向前并转临汾前线全体指战员：“我们热烈庆祝解放临汾的大捷。当此华北我党我军与全体人民在各解放军不断取得伟大胜利声中，业已形成统一的华北解放区，建立了全华北党政军的统一机构，在华北中央局统一领导之下，将更加集中力量，统一步伐，努力建设，继续支援前线，为解放全华北而奋斗！”
临汾战役，系一典型的阵地攻坚战，双方均以堑壕对堑壕、地堡对地堡、坑道对坑道，进行剧烈复杂的搏斗。在炮火不足的条件下，攻城部队利用坑道爆破夺取坚固设防城市，取得了极为丰富的经验。
毛泽东起草的中央军委电指出：“徐向前同志指挥之临汾作战，我以9个旅（其中只有两个旅有攻城经验），攻敌两个正规旅及其他杂部共约2万人，费去72天时间，付出15000人的伤亡，终于攻克。我军9个旅（约7万人）都取得攻坚经验，是一个很有意义的大胜利。临汾阵地是很坚固的，敌人非常顽强。敌我两军攻防之主要方法是地道斗争，我军用多数地道进攻，敌军亦用多数地道破坏我之地道，双方都随时总结经验，结果我用地道下之地道获胜。”（《毛泽东军事文集》第4卷，第472～473页）
徐向前深有体会地说：“虽然我们耗费了72天时间，但使我们取得了许多攻坚作战的经验。我们深深体会到，部队要由运动作战转到攻坚作战，的确是一个很大的阶梯。这中间必须解决一些战术和技术上的问题。一般士兵除了三大技术之外，人人掌握土工作业与爆炸两大技术，步、炮、工必须密切协同，而各级指挥人员，则必须学会使用火力、爆破、突击三者紧密结合的艺术和精细组织战斗的本领。只要抓住了这样中心的几个环节，那我们就可以达到无坚不摧、无攻不克的要求。”（《徐向前将军谈临汾战役》，《人民日报》，1948年5月29日）