根据连日实地侦察和守军防御部署情况，3纵首长定下了攻克义县的战斗决心：以9师首先扫清火车站、老爷庙等外围据点，由南门西侧突破，尔后向神社胡同以东、东大街以南发展进攻；5师首先歼灭城西给水所外围之敌，由城西南角与9师并肩实施主要突击，尔后向北发展，歼灭北大街以西之敌；8师主力首先扫清城东外围之敌，由东门北侧突破，尔后向西发展，歼灭东大街以北之敌；8师23团及地方独立团配置在大凌河北岸担任警戒，打击可能突围之敌；7师位于松林堡一带为总预备队。整个战斗共分为三步完成：第一步，29日首先夺取城东、城南外围据点与地堡群；第二步，30日突破外壕、土圩，夺取东关、南关，扫清攻城道路；第三步，10月1日直接攻城．炮火准备后即行冲锋突破入城。
为加强步炮协同作战并能最大发挥炮火威力，炮1团野炮和榴弹炮各1个营编为第1炮群，由团长黄登保任群长，支援5师战斗；炮2团榴弹炮连、炮3团加农炮连和3纵炮团野榴炮营编为第2炮群．由3纵炮团团长杨云斋任群长、支援9师战斗；炮3团榴弹炮5个连和加农炮1个连、3纵炮团野榴炮营编为第3炮群，由炮3团团长宋承志任群长，3纵队炮团副团长蒋有泉任副群长，支援8师战斗；炮2团第1营2个连由炮纵直接指挥。负责压制敌炮兵阵地；高炮1团的1个连负责防空．保阵对空安全。 28日，炮兵司今员朱瑞亲自率领炮兵部分团以上指挥员、到义县南山进行实地侦察。各炮群及分队利用3个夜晚作掩护．相继进入指定位置．做好了射击准备。
9师战前动员
肃清外围
9月29日16时，义县城外炮声隆隆、枪声四起，在滚滚浓烟中，进攻部队呐喊着向敌各据点发起冲击，外围战斗打响。
在 5师进攻正面和侧翼有老严家、老李家和吴家小庙三处据点。担任扫清外围据点任务的14团决心首先攻占城西南的老严家，该据点有守敌二个步兵排．一个重机枪班。11连采用掘壕抵近突破的战法迫近敌阵地50米处，在师、团两级火支援下奋勇发起攻击。守敌弃阵向北面老李家据点溃逃。连长李玉恒、政指芦**果断指挥全连乘胜追击，仅以伤亡3人的代价，将逃敌及老李家两个班的守敌近百人一举歼灭。14团趁势逼近敌外围重要支撑点——吴家小庙。
吴家小庙位于县城西南约150米处，守敌为两个加强排附l挺重机枪和2门60炮，虽然只有4栋房屋，但能得到城内强大火力支援。守军还在方圆50米的阵地上构筑了5个大地堡、21个小地堡，四周挖有4米宽、3米深的外壕，壕外设有绊脚索、梅花桩、地雷、铁丝网等五道障碍物，有交通沟和暗道直通城内。吴家小庙据点是突破口外的一个钉子，能否按时攻下吴家小庙。直接关系到攻城部队能否按时发起攻击。吴国璋师长亲自组织准备和具体部署。14团决心以曾获“无坚不摧”荣誉称号的10连担任攻坚任务，并以火炮12门、轻重机枪24挺支援战斗。团长薛剑强、政委任茂如、3营营长刘培珍亲自参与指挥10连行动，副团长王扶之指挥炮火支援，参谋长吴宝光指挥机枪支援。
30日上午11时，10连隐蔽地进入冲击出发阵地。12时28分，炮兵开始火力急袭，31分炮火延伸，爆破组在火力掩护下，连续八次爆破成功，并在外壕内迅速架好梯子，无一伤亡。副连长任克功率1、2排乘势冲入据点，控制住西南角大地堡和东侧一段围墙。东北角地堡群敌两个班在猛烈炮火掩护下连续发起两次反击．10连连排干部除带领预备队的副政指申明和外均已伤亡。8班副王凤江挺身而出，指挥战士用冲锋枪、手榴弹将敌击溃，并协同申明和率领的两个班打下敌子母堡，歼敌30余人，打退西北角之敌第三次反击。14时30分全部占领吴家小庙，10连突击队7个班兵力只剩下约20人。团令3营组织增援，但遭敌炮火封锁，无法靠近，带队增援的营长刘培珍牺牲。城内守敌先后各以一个排的兵力，在炮火支援下，又从暗道沿交通壕发起两次反击，企图夺回吴家小庙，均被击退。此时申明和抓住时机，迅速调整组织，收集弹药，准备再次抗敌反冲击。16时，城内守敌又以一个连兵力发动两次反扑，10连战士在申明和指挥下沉着应战，以猛烈火力杀伤敌人，没有手榴弹就扔爆破筒、炸药包。阵地上仅有的1挺重机枪被敌炮火击毁，战斗组长杨青山用3挺打坏的机枪组装成1挺机枪继续射击。激战中l0连伤亡严重，子弹和手榴弹耗尽。炊事员高发和搜集到敌遗弃的2门60炮和2箱炮弹，3班立即开炮，恰好击毙了在后面指挥的敌营长。王风江机智地抽掉60炮弹保险栓，当作手榴弹接连投向敌群，司号员也吹起了冲锋号，敌人一时摸不清虚实，退了下去。副团长王扶之及时指挥炮火将暗道摧毁，粉碎了敌最后一次反击。10连一直坚守到19时30 分，在7小时的战斗中，共打退敌军组织的1个排到1个连的7次反击，毙伤敌营长以下450余人，10连伤亡102人。吴家小庙战斗，10连为师主力突破义县开辟了道路，占领了有利的冲击出发阵地。
5师攻占吴家小庙
8师22团奉命攻占东关外围据点。在炮火准备后，3营突击分队乘炮火延伸的瞬间，向郑家屯迅猛发起冲击。9连冲击受挫，伤亡较大，营立即组织火力支援9连迅速攻取东南角地堡群，支援8连战斗。此时，7连1排加入战斗，协同9连向村西发展，断敌退路。9连连续打退敌人三次反冲击，攻克两个地堡，歼敌一个排，残敌退守院内。8连突破成功，警卫连投入战斗，协同9连全歼院内之敌，俘虏53人。尔后继续向西发展，经两小时激战，歼敌大部，少数敌人逃回东关。24团在炮火掩护下，打得英勇顽强，进展迅速，一举拿下了徐家坟地堡群。30日15时，22团3营加强6连向东关发起攻击。7、9连在攻击途中遭敌火力封锁，前进受阻。团立即组织火力压制，7、9连趁势跃起突入东关。警卫连和6连紧跟着加入战斗，连续打退敌人三次反扑。至19时，攻占了东关，俘敌20余人。10月 1日6时，22团2连以突然的动作向张家大院之敌勇猛攻击，歼灭一个加强排，俘敌30余人，肃清了东关外最后一个据点，保障了主力突破的安全，为总攻创造了有利条件。
与此同时，9师夺取火车站、老爷庙的战斗也在激烈进行着。火车站是交通命脉，有两个连的兵力驻守。师长王世高曾亲临训话，“车站是国军前进后退的必经点，你们一定要全力以赴守住车站！弟兄们好好干，守住车站，按级提拔。”25团3营在炮火掩护下连续炸开铁丝网、梅花桩和鹿砦，由于准备充分隐蔽得当，部队无一伤亡。8连利用浓烟开始冲击，由于守军工事大多是混凝土筑成，有的火力点并未被彻底摧毁，密集的火力封锁了8连进攻的道路和与后续部队的联系，突击排伤亡较大。8班副班长赵满春带领全班，以敏捷的动作迂回到敌火力侧翼，将敌碉堡炸毁。9班也迅速将水楼子附近地堡及车站西南角地堡炸掉。残敌被迫退守车站候车室内。3营营长臧汝光指挥火箭筒手将侯车室打燃，部队乘机冲入占领了车站，共毙伤敌140余人，俘虏30余人。
老爷庙是义县城南的重要据点，由地方武装和暂20师两个加强排近700人驻守。共有30余个大、小地堡，南面有一条宽4米、深3米的外壕，壕内设有暗堡，壕外设有铁丝网、雷区、鹿砦等，并随时可以得到城墙上的火力支援。26团2营组织轻重机枪交替掩护爆破组实施爆破，连续扫清3道防步兵障碍物，突击队随后开始冲锋。当6连2排冲到外壕时，遭到猛烈阻击。爆破组在1排火力掩护下，将敌暗堡炸毁。通路刚被打开，又遭到老爷庙东南角敌人的反冲击。营长赵学胜在火力支援下指挥部队将其压到一个四合院内，以政治攻势配合军事打击，敌被迫缴械投降。团迫击炮连2排副排长孔凡玉指挥两门迫击炮以迅速准确的火力支援2营扫清了老爷庙外围工事，4连爆破组将院墙炸开一个大口子，步兵冲入庙内与敌展开近战。在1营配合下，2营于30日清晨全部占领了老爷庙阵地，共毙伤俘敌600 余人。
城外激战正酣，城内国民党军更是如同热锅上的蚂蚁。29日晨，1团团长赵振华接到报告说城南主阵地被突破一个缺口，赶紧下令2营营长刘雄迅速集中一切人力和物力，不论付出多少代价必须把缺口堵起来。并命令城墙上的火力支予以支援。一小时后副营长黄华铸来电话，刘雄已负重伤，缺口无法堵上，赵振华只好叫黄华铸代理营长职务，不可再失阵地，待天明再图恢复。面对危如累卵的局面，暂 20师师部颁发了一道半激励半威胁的训令给部队打气，说义县乃锦州之屏障，如义县不保，锦州将垂危，若锦州失守，整个东北就完了。东北完，华北亦完。国家兴亡在此一战。务必督饬官兵，坚守阵地以尽全功。如有擅自放弃阵地者，军法从事，格杀勿论。同一天，蒋介石也给王世高发来电报，先嘉许了一番，然后说已经命今锦州方面大力增援，“尚望勉励官兵再接再厉以尽全功”。王世高和几个团长看了之后认为连委员长都重视了，固守待援保住义县的希望还是有的。于是从预备队第3团调兵增强兵力薄弱的环节。将防线缩小，并把从外围据点溃退下来的部队加强在以城墙为依托，便于火力支援的的核心阵地里，这些阵地由坚固地堡群、外壕和大面积障碍物组成，重要的地堡都派上连级军官固守。经过调整部署，入夜之后击退了解放军的几次进攻。守军动摇着的信心又坚定了一些。
可援军怎么盼也盼不来，士兵的伤亡随时都在增加，弹药打一发就少一发，王世高觉得再也不能这样死等下去了。30日晚12时，他在2团团部隐蔽所召集副师长韩润珍、1团团长赵振华、2团团长王灿荆、3团团长陈敬熙、政工处长赵�