清风店歼灭战的胜利，使石家庄的敌人力量大为削弱。聂荣臻认为乘胜夺取石家庄的时机已经成熟。清风店战役结束的当天，他与萧克、刘澜涛、罗瑞卿联名向中央军委和中央工委发电报，提出“乘胜夺取石家庄”的意见，电报说：“现石门（即石家庄）仅有三个正规团及一部杂牌军，我拟乘胜夺取石门。军委是否批准此方针，请即复。不管怎样，提议太行准许有力部队抓住元氏敌人，以减弱石门防御力量。”
那时的石家庄又叫石门，是平汉、正太、石德三条铁路的枢纽，西通太原，东连山东，南接豫鄂，北通北平，是华北地区举足轻重的战略要地。虽然当时城内的兵力显得很空虚，仅有刘英的32师及2 个保安团和19个县的保警队，总兵力仅两万多人。然而，它的工事防务却是相当坚固的。国民党在日寇构筑工事的基础上，连年加修，使其成了一个碉堡林立、沟渠纵横、明堑暗壕密如蛛网的坚固设防城市。敌人在石家庄筑起三道环形防线：第一道防线是一道长30公里的外市沟，沿沟配备有密集的火力和防御工事，外市沟后面是环形铁路，铁甲车可以随时机动巡逻。第二道防线是18公里长的市内沟，这是重点设防地段，内、外市沟之间有交通沟或地道联接。第三道防线是以市区为中心，由坚固建筑物组成的核心工事，核心工事与重要碉堡之间有明堑暗道相通。在三道防线里筑起的碉堡达6000多个，石家庄周围又是一马平川，想要接近城垣非常困难。无怪乎敌32师师长刘英得意地扬言：“没有飞机、坦克，共军休想拿下石家庄。”清风店战役后，蒋介石也给刘英打气：“共军敢进攻石家庄，兄当率陆空大军前去支援。”
解放战争打到这时，解放军还没有拿下一座坚固设防的大城市。现在要攻石家庄，能否得成功，许多人表示怀疑。国民党要员得意地叫嚣：“共产党说全面反攻好久了，但还未打下一座大城市。”就连刚当了俘虏的罗历戎，也断定解放军攻不下石家庄可是，朱德、聂荣臻等不这么看。他们分析：石家庄的敌人不过是虚张声势而已，实际上它已成了一个陆上的孤岛。经过清风店战役，我军无论在兵力对比上，还是在攻坚能力上，都具备了打下石家庄的把握。强攻石家庄，是一次依靠手中武器、战胜固守坚固设防城市中敌军的实际练兵。如果这一着成功了，蒋介石这最后一张王牌也就没有了。“前途只能是我军必胜，蒋军必败！”朱德充满自信地说。
聂荣臻鼓励野战军领导说：“我们知道石家庄是设防城市，可是设防再坚固也要兵来守。清风店第3 军主力被消灭。石家庄打下来的可能性很大。我们既然研究了各种因素，认为石家庄可以打下来，就应当有信心。条件具备了，就要攻坚，要有这个决心。这不是盲动冒险，而是有信心，敢于胜利。不打，失去了战机是不对的。”
第二天，朱德和刘少奇致电中央军委，建议批准聂荣臻的计划。指出：“我们意见亦以打石门为有利。石门无城墙，守兵仅3 团，周围有40里长的路线，其主管官被俘，内部动摇，情况亦易了解。乘胜进攻，有可能打开，亦可能引起平、保敌人南援。在保、石间寻求大规模运动战的机会。”同时，朱德对石家庄防务的坚固和攻坚的困难也有清醒的估计。
中央军委、毛泽东很快批准了攻打石家庄的计划。毛泽东为中央起草的给聂荣臻等人的电报中说：“清风店大歼灭战胜利，对于你区战斗作风之进一步转变有巨大意义。目前如北面敌南下，则歼灭其一部，北面敌停顿，则我军应于现地休息十天左右，整顿队势，恢复疲劳，侦察石门，完成打石门之一切准备。然后，不但集中主力9 个旅，而且要集中几个地方旅，以攻石门打援兵姿态实行打石门，将重点放在打援上面。”
10月25日，朱德赶到驻河北省安国县南关的晋察冀野战军司令部，同野战军领导人一起，进行紧张的战前动员和攻坚准备。
这天，杨得志和杨成武主持召开晋察冀野战军旅以上干部参加的前委扩大会议，研究分配作战任务和布置战前的准备工作，朱德出席会议。
会上，朱德与前线指挥员共同研究拟定了攻打石家庄的作战部署，向晋察冀广大指战员发出了“勇敢加技术的”的号召，要求指挥员认真发扬军事民主，通过打石家庄学会攻坚战。他系统地提出：一是要精心计划，统一指挥；二是要加强组织性纪律性，规定民兵不进城，野战军不住城；三是要爱惜民力物力；四是要加强党委领导和支部工作的保证作用；五是要培养出能攻善守的作风。他着重讲了各级指挥员能打下大城市，而且能很好地管理大城市。会后，晋察冀野战军司令部把朱德提出的“勇敢加技术”的号召作为一个口号传达到所有部队，要求坚决贯彻执行。
10月27日，朱德风尘仆仆地来到驻扎在安国县西北的西伯章村军区炮兵旅阵地视察。
当天，朱德又给炮兵旅团以上干部讲话，指出：“要研究运用炮兵为步兵打开突破口，把敌人碉堡打掉，支援步兵向纵深发展。”
他向第一团排以上干部说：打下石家庄，可以学会攻坚战，学会打大城市，还可以把晋冀鲁豫和晋察冀两大解放区连成一片，在军事上、政治上、经济上的意义都很大。
10月30日，在朱德的提议下，晋察冀野战军司令部由参谋长耿飚主持，在安国召开了炮兵、工兵会议，集中研究阵地攻坚战；研究如何打低堡、找暗堡的问题；研究如何进行坑道作业和炮兵、工兵如何配合的问题。
为了确有把握攻克石家庄，朱德同杨得志、杨成武等野战军领导人一起，进行了紧张的战前的动员和攻坚准备，一起拟定了周密的作战计划。
攻坚战就要打响了，朱德仍坚持留在野战军司令部，敌机不时飞来轰炸，同志们都为总司令的安全担心。
远在陕北神泉堡的毛泽东也牵挂着朱总司令的安全。10月引日，他致电在河北建屏县（今平山县）西柏坡的刘少奇：“朱总到杨（得志）、杨（成武）处帮助整训一时期很好，但杨、杨举行石门或他处作战时，请功朱总回工委不要亲临最前线。”
朱德关心着攻坚战的发展情况，不顾个人安危，执意不肯离开最前线。杨得志劝朱德离开前线，朱德摇摇头说：“你们不都在这里吗？未必飞机就专来找我朱德。”
在杨得志等一再劝说下，朱德才笑着说：“野战军司令向总司令下了逐客令，没得办法，我只好去找孙胡子了。”
石家庄战役于11月6 日发起。
攻击是激烈的，战至拂晓，第3 纵队占领了西郊和南郊的留营、张营、大车行、北杜村、王村、西三教等地。
第4 纵队占领了东郊和东北郊的柳辛、桃园村、小沿村、南翟营、北翟营、谈因村、北宋、方北；冀中军区部队占领了东南郊的大安舍、大郭村、马庄、西庄，并包围了飞机场。
7 日拂晓，冀晋军区独立第1 旅、第2 旅，分别由东北。西北两面夹击，歼敌保安第9 团一部，占领机场，切断了敌人向外的唯一通道，敌人成了瓮中之鳖。同时，冀晋第4 军分区解放了获鹿城。
6 日17时，第4 纵队第10旅，在旅长邱蔚、政委傅崇碧的指挥下开始攻击云盘山。云盘山听起来气势不凡，实际上此山高不过四五丈，周长六七十丈。但在一马平川的石家庄东北部，倒算是个庞然大物。日军占领时，此山即修有碉堡。国民党第3 军“接收”后，以山上的一座庙宇为核心，用水泥修了三层地堡。山下有两道深壕，两道电网，守敌为保警队的一个加强连，有重机枪4 挺、轻机枪9 挺、60炮4 门，成了交叉火网，敌人称之为“铁打的云盘山”，准备长期固守。这个“山”是4 纵从东北方进军的拦路虎。
第10旅就是要啃下云盘山这块硬骨头。配属给第10旅的野战军炮兵群在300 米距离向云盘山核心工事进行直射击。炮弹在核心工事上爆炸了。硝烟散尽，但从望远镜里发现工事竟完好无损。头一次进攻未能奏效，显然，第10旅碰上石家庄大战中第一块难啃的骨头。
一招不行再来一招。第10旅领导指示部队挖壕接近敌人，把几百斤炸药装到核心工事前，一声爆炸，部队冒起浓烟冲了上去。敌人并没有被炸死，核心工事依然完好，但敌人已被震晕了，失去了抵抗能力。10旅第30团3 营8 连没等敌人清醒过来，已经冲到跟前，从射击孔中塞进爆破筒，一个加强连的敌人被消灭得干干净净。外市沟外面的最后一个据点拔除了。第10旅领导及时指挥部队把大炮架上云盘山向敌人的发电厂轰击，击毁了发电设备，整个石家庄的灯火忽然间全部熄灭，守军用以阻挡我解放军进攻的电网再也不起作用了。
11月7 日午夜，战役打得正酣时，朱德打电话给正在前线指挥作战杨得志，询问攻坚战情况。朱德再次提出要亲自到前线看一看，杨得志等坚决不同意，朱德才没有再坚持，他在电话中勉励大家说：“打得好，祝贺你们！按照原定计划，继续打下去，后边的同志都在望着你们哪！一定要拿下，而且要打得漂亮！”
8 日午后16时，解放军对外市沟发起全线攻击。第3 纵第7 旅第20团首先在外西兵营爆破成功，将外市沟炸开了两个8 米至10米宽的缺口，该团第2 营乘着爆破的烟幕跨越市沟，夺取了敌人的前沿阵地，向两翼发展，占领了农业试验所。第1 、第3 营随后，占领了西焦村和西里村。第ZI团也相继突人，占领了城角村、洒洒司等要点，并击毁敌装甲列车一辆。
16时30分，第8 旅第22团由西三教西北架梯突破，第23团于振头以西突破。两个团钳击振头镇，守敌赵县保警队大部被歼。
战斗至9 日晨，敌内、外市沟之间的据点，除范村、元村、彭村、北焦、北村四点外，全部为我攻克。
9 日，总攻击发动前夕，朱德又打电话指示杨得志等：（一）突破内市沟后，一定要猛推、深插、狠打，不让敌人有半分钟喘息；（二）充分做好打巷战的准备；（三）全歼一切敌人，包括还乡团在内。
外市沟被突破，敌第32师师长刘英沉不住气了。他深知环绕石家庄市区的这道“天堑”同石家庄是生死相关的；有内市沟则有石家庄，无内市沟则无石家庄。
11月9 日夜，华北解放军各部在夜色掩护下，顶风冒雨开始了大规模的“土工作业”。
第一梯队在敌前沿展开，先挖卧射掩体，再逐渐构成跪射和立射掩体，遂后再把一些掩体加盖成地堡，然后再将各个掩体和地堡横向贯通，筑成堑壕。第二梯队构筑纵向交通壕，敌火力射程之外的交通壕则由民兵和民工构筑。翌日，当朝辉驱散了晨雾的时候，放眼望去，昨天还是平展展的田野，一夜之间面目全非，仿佛经历了一场神奇的变迁：数不清的掩体和纵横交错的堑壕、交通沟，满布于内、外两道市沟之间纵深2000米的开阔地上。
10日16时，太阳西沉，红光似火，我强大的炮群突然咆哮起来，对内市沟的总攻开始了。
火炮按照各自的性能和分工的目标猛烈轰击：山野炮弹吼叫着射向敌人的高碉；战防炮、步兵炮的炮弹则呼啸着在敌人的低碉和火力点上爆炸；轻机枪封锁着敌人的碉堡射孔；迫击炮弹在敌人的野战散兵阵地上开花；重炮向敌纵深实施压制隆性射击。内部爆破与外部爆破同进并举。石家庄在震耳欲聋的炮声、爆炸声中颤抖。到处闪着红光，到处腾着浓烟，到处飞着瓦砾。
16时30分，部队发起冲击。经20个小时的激战，石家庄市区已大部被我军占领。
12日11时，石家庄守军停止了抵抗。敌人有的投降，有的被歼。向北逃窜的400余人，也被第2 纵第4 旅全歼于灵寿以东地区。
经过6 昼夜激战，石家庄守军25000 余人于11月12日全部被歼。国民党吹嘘的“可坐守三年”的石家庄，六天六夜即告解放。
在全国战略反攻的形势图上，解放军的旗帜又一次插上了大中城市。短短一个月内，华北军区连获两场大捷，一时间声威大振。
石家庄的被攻克，使晋察冀与晋冀鲁豫两大解放区完全连成一片，根本改变了华北战场的形势，从而为华北作战打开了新局面。
战役结束的第二天，朱德致电聂荣臻转晋察冀军区全体指战员予以嘉勉。嘉勉电称：“仅经一周作战，解放石门，歼灭守敌，这是很大的胜利，也是夺取大城市之创例，特嘉奖全军。”朱德还即兴赋一首：
石门封锁太行山，勇士掀开指顾问。
尽灭全师收重镇，不教胡马送秦关。
攻坚战术开新面，久困人民动笑颜。
我党英雄真辈出，从兹不虑鬓毛斑。
11月16日，新华社发布了解放军总部发言人对石家庄大捷的评论，指出：“这是一个重要的胜利，并且是今后一连串胜利的开端。”
蒋介石哀叹：“这是我们重要都市第一次的失陷。当然是我们一个重大的损失！”