在进军青海的同时，一野还进行了打通甘肃河西走廊的战役，对甘肃永登以西、安西以东武威、张掖、酒泉地区的国民党军进行了长距离的追击作战。
当时，国民党西北军政长官公署及第91、120 军正向河西走廊撤退，加上河西原有第8 补给区和河西警备总部等单位，仍有4 万余人。第91、120 军撤至古浪后，先在乌鞘岭布防，幻想一野主力南下入川，无力顾及河西，可再喘息一段时间。当获悉一野将立即西进时，遂于9 月1 日在古浪以北之双塔堡召开军事会议，决定步兵乘车，骑兵掩护，继续向西撤退，企图利用解放军步兵难以追上汽车的困难，退至玉门地区。
为防止敌人退至新疆带来后患，一野于8 月31日发布进军河西的作战命令：第1 兵团第2 军自青海西宁挥师北上，越过祁连山向张掖进击；第2 兵团沿兰新公路及其右侧西进，第6 军为右路，绕乌鞘岭、腾格里大沙漠边缘的大靖西进；第3.4 军附野战军炮兵团、战车营为左路，直取武威、酒泉。
9 月4 日，第2 兵团全线出动。由于逃敌军心涣散，指挥混乱，不击自溃，第2 兵团各部以秋风扫落叶之势，迅猛疾进，所到之处敌人纷纷投诚或逃窜。
第3 军由享堂、河桥驿向永登及以西前进，先头部队第9 师解放永登后，跨越乌鞘岭，解放安远驿。
第4 军由安宁堡、沙井驿沿兰新公路向永登方向前进，敌骑兵第8 旅第25团残部投诚。
第6 军由哈家咀、小涝池向松山、大靖前进。进至古浪以东松山时，敌第120 军第191 师骑兵团800 余人在团长带领下投诚。
12日，第2 兵团作出攻占古浪、进军武威的作战部署。在解放军尚未发起攻击时，敌先行逃走，第3 、6 军顺利进占古浪、大靖等地，至15日即进至武威以南及以东地区。次日下午，第3 军先头部队攻克武威，驻武威附近敌第g1军骑兵团、第246 师骑兵团和甘肃保安第3 、4 团、武威自卫团、自卫队共7500余人投诚。
18日，第2 兵团全部集结武威，并以装甲营和乘车步兵营组成的快速部队向张掖前进。
在此期间，第4 军先头部队经17天700 公里的行军，抵达山丹，敌联勤第8 补给区监护营及第173 师溃兵600 余人，携马300 余匹，于山丹东乐镇投诚。
22日，第4 军第10师解放民勤。
与此同时，第1 兵团部率第2 军于9 月10日由西宁北进。第5 师为前卫，第6 师为后卫，第4 师为本队。12日，第5 师攻占大通、门源，然后顶风雪、冒严寒，连续行军。14日进入终年积雪的祁连山区。
祁连山海拔4300多米，绵延千里，崇山峻岭，高峰人云，高处终年积雪，空气稀薄，气候变幻无常，人烟稀少，鸟兽亦视为畏途。唐代诗人王昌龄有诗状祁连山及河西走廊史地云：“青海长云暗雪山（祁连山），孤城遥望玉门关。黄沙百战穿金甲，不破楼兰终不还。”行军之难可想而知。但为迅速打通河西走廊通道，占领酒泉，却必须走此险途。
由于进军急速，准备不足，缺乏防寒设备，许多指战员还穿着单衣，奇苦难言。
14日一早，部队从黑石头出发，走了20多里路就开始下起雨来，路上泥水搅合，不时有人跌跤，一个个淋得活像落汤鸡。各班的宣传鼓动员喊起口号：“踏着红军的足迹前进，翻过祁连山，消灭马匪，解放大西北！”……歌声、口号声在高原上空回荡着，部队的行军速度加快了。
雨越下越大，简直像河水开了闸，大路成了河渠，行军的速度又缓了下来。一会儿，暴雨又变成了冰雹。旋风夹着指头大的雹子，打得人生疼，战士们用毛巾缠着头脸，仍然坚强地爬着盘旋的上坡山路。到了大梁，气温骤然下降，鹅毛大雪把祁连山整个包裹了起来，刚刚淋湿的衣服顿时冻得硬梆梆的好像油布，顶着风雪往前爬，沉甸甸、冷冰冰的，透心地难受。腿重得像灌了铅，迈一步要吃力地吸一口气，总觉得空气不够吸，越往上走越觉得气短，体弱的战士已经上气不接下气了，有的就用手巾捂着嘴巴，但不大一会儿嘴上的毛巾便冻成冰块，队伍拉得更长了，开始有人掉队了。
“向前走呢，还是休息？”雪越下越大，风势越来越猛，呼吸越来越困难，胸膛好像要炸裂一样。有人干脆走不动就坐下了。可也不能等着冻死呀，部队只有向胜利前进的传统，没有等着死的习惯，指挥员下令坚决地向前走。
夜晚的高原一片苍茫，雪不停地下着，狂风卷着雪花，像脱了缰的野马尽情地奔驰着，冻硬的衣服被风刮得瑟瑟作响，刮得战士站不稳脚跟。队伍在茫茫的雪原上前进，像一条雄伟的巨龙，路旁掉队的战士仍然一拐一拐地昂着头走着。长征过雪山的情景和对胜利的憧憬激励着指战员。
部队继续坚强地走着。在离俄博40多里路时，寒冷的雪花密密地撒到人们身上。这里已是海拔5000多米了，不少人觉得头晕，显然是空气更稀薄了。寒风像钢针一样，刺痛着人们的肌肤，冻得难以支持，牙齿碰得咯咯作响，浑身直打哆嗦，最讨厌的还是路上老遇上小河沟，河水冰冻刺骨，只好连鞋带袜趟过去。由于连续急行军，加上水浸、风吹和冰冻，脚肿起来了，有的已经开始溃烂，再加上饥饿，许多同志都走不动了。想吃点干粮取暖，但干粮冻得像冰块一样，硬梆梆的啃不动，只好憋住气喝口烧酒，不过这也只能暖一小会儿，过后更冷。许多战士还是掉队了，行军队列里有人走着走着，猛地就栽倒了，闭起双眼躺下了。他们为了解放大西北，献出了自己宝贵的生命。
大家含着眼泪，用白雪埋葬了战友们的尸体，昂着头，挽着臂，又继续前进了。
部队经过28小时强行军，走了220 里，于16日通过祁连山山梁，到达俄博。
到达俄博后，彭德怀号召全军学习这种不怕困难、不怕牺牲的精神。
接着，第1 兵团部和第2 军又以20多小时的连续行军，于17日歼灭国民党军第15旅旅部及第32团，攻占民乐县城。
18日，第二兵团先头部队第5 师进至张掖三堡，击溃企图增援民乐的西北军政长官公署警卫团，又于六坝歼灭国民党军第245 师第735 团全部。
19日，对张掖实行包围攻击。经19分钟战斗，即歼灭守敌第245 师第733 、734团。
22日，第2 军第4 师解放临泽县城。
张掖解放后，各部队星夜西进，迫使逃窜张掖以西之敌第173 师骑兵团及第246师第736 团先后放下武器。
9 月21日，第1 、2 兵团部队会师张掖，然后挥戈西进。
逃到河西走廊西端的国民党军队大多为机关、后勤单位，战斗部队仅有五个师，除第231 师组织完整、人员充实外，其余四个师都已零零落落，仅有500 至千余人，人数较多的第246 师也只有2300人，士气极为低落。再加上几个独立团和地方部队，根本无法支撑局面。地理条件上，没有可以利用的关隘和可以固守的坚固城池；后勤保障上，已面临枯竭，官兵三个月无晌，国民党广州政府空运的100 万银元滞留汉中，兵员和物资得不到补充；在其内部已分崩离析，、主战派和主和派的斗争日益尖锐，不可能再有组织地进行大规模的抵抗。因此，当解放军第1 、2 兵团先头部队兵临高台、酒泉时，河西国民党部队不得不作出最后的抉择。顽固派首领刘任（西北军政长官公署副长官兼参谋长）。黄祖勋（第91军军长）、胡兢先（骑兵学校校长）等，先后出逃，主和派将领掌握军权，酝酿投诚起义。
在这种有利形势下，一野坚决贯彻军事打击与政治争取双管齐下的方针，一面是大军急速西进，一面是通过多方关系，宣传我党的政策，做政治争取工作。
西北军政长官公署副长官、新疆警备总司令兼河西警备总司令陶峙岳，派第8 补给区司令曾震五从迪化赶到酒泉处置。9 月22日，曾震五与第1 兵团第2 军第5 师领导徐国贤、李桂、何家产会见，要求暂停攻击高台，并于当天赶往张掖求见第1 兵团司令员王震，表明和平解决河西的愿望。
当晚，王震派第2 军第5 师副参谋长刘振世到高台国民党军第246 师防地，与西北军政长官公署副参谋长彭铭鼎、第246 师师长沈芝生会谈，传达王震的意见：驻高台、酒泉一带的国民党军队原地待命，听候改编，并确保玉门油矿的安全。
彭铭鼎当即明确表示，愿意接受解放军提出的条件，命令第1 线部队撤回酒泉，原地待命。
由于和平解决河西问题的条件已经成熟，解放军前线部队即停止进攻。
9 月24日，国民党西北军政长官公署副参谋长彭铭鼎、第8 补给区司令曾震五、河西警备总司令部参谋长汤祖坛等，在酒泉率部共约3 万人起义，由陶峙岳领衔发出通电，接受人民解放军改编。
25日，第二军第5 师乘车进入酒泉；由第3 军军长黄新廷率领的快速部队到达老群庙，接管了玉门油矿；接着，第5 师占安西、敦煌。此时，额济纳旗防守司令也宣布与国民党脱离关系，接受中央人民政府领导。
至此，河西走廊全部解放。
河西战役自9 月2 日开始，到28日结束，历时近一个月，共歼国民党西北军政长官公署、河西警备司令部、第g1军、第120 军、第8 补给区等，共4 万余人，解放县城16座。战役的胜利，不仅使河西广大地区得到了解放，更为重要的是，为我军进军新疆打开了必经之通道，为和平解放新疆奠定了基础。