两天后，中革军委召开了军事会议。会上，与会人员一致同意了主席提出的“攻占宁夏的战役计划”。会议决定：由彭老总担任战役总指挥，并调集红军第三、第五军团以及我师第三旅和骑兵旅共四万余人参战。另以第十五军团驻海原、同心一带，担任战役预备队及监视兰州之敌援军。以一军团一部接任原三军团庆阳地区之防务。
彭老总受命之后，很快制订出战役之详细计划。采用南北夹击之战术，由三、五军团组成南纵队，以主力四个师两万余人西渡黄河，击溃或歼灭马鸿逵的新编第七师，然后与河东一部夹河北上。以近卫师第三旅和骑兵旅组成北纵队，由近卫师王参谋长指挥，沿黄河西岸南下，与南纵队共同夹击马鸿宾主力于银川。
战役自八月二十二日凌晨五时展开，彭老总亲自指挥南纵队主力抢渡黄河。第三、第五军团的官兵经过半年来的休整训练，精、气、神早已超越在中央苏区时的鼎盛时期，再加上人员及武器弹药的大量补充，现已是兵精弹足。上次东征战役没轮上，心里早已憋着一口气，这次担任战役的主要任务，心里那个高兴劲就甭提了。三军团四师第12团与五军团十三师第1团担任渡河先锋队，两支部队暗中就开展了竞赛。渡河命令一发出，两个团的突击队分别从两个地方抬着船悄悄地放入水中；然后，登上船快速向对岸划去。对岸守军是马鸿逵的新编第七师，由于防守的河段长达200余公里，不可能处处分兵把守，只能对重要渡口派出重兵把守，因而也给我军以可乘之机。彭老总经过周密的侦察，在主要渡口附近的小渡口，先一天派两支小部队悄悄渡河，潜伏在主要渡口的侧后，配合正面部队强渡。当四师和十三师的两支突击船队刚过河心不久，便被对岸守敌发现，顿时，对岸渡口鼎沸起来，敌人吼叫着向河中疯狂射击。在东岸指挥所里凝神观察的彭老总不禁心中一沉，暗地里为突击队担心起来。然而，船上的突击队员们却一声不吭，只是奋力往前划，有的队员被流弹击中了，旁边的接过浆继续划，前仆后继，奋勇向前。
快靠岸了，敌人的火力越来越密集，突击队的伤亡也愈来愈大。这时，对岸守敌的阵地上、工事内响起了连续的爆炸声，迂回敌后的两支先遣队关键时刻终于杀到。敌人的火力一下子疏忪下来，突击队趁机猛划，两支突击队几乎同时靠岸，突击队员们端起枪，高喊着纷纷跳下船，向敌军阵地扑去，手中的枪吐出了一条条愤怒的火舌，*不断在敌丛中爆炸。我军前后夹击，一鼓作气将守敌一个营击溃了，控制了整个渡口。后续部队不断登上岸来，此时天已放亮。三军团四师12团乘胜追击，又击溃了马鸿逵派来增援的一个骑兵营。将渡口牢牢掌握在我军手中。
中午时分，彭老总渡过了黄河，立即指挥已过河的四师和十三师先行出发，包围驻扎在中宁的新编第七师主力。这次，为对付马鸿宾、马鸿逵的骑兵部队，彭老总作了充分准备，部队补充了不少苏联援助来的自动火器，如*、轻重机枪等；还携带了足量的弹药。
此时，呆在银川城内的马鸿宾，得悉红军主力已渡过黄河，现又包围了中宁，显然是奔宁夏来的。他心急如焚，赶紧向兰州绥靖公署朱绍良和西北“剿匪”副总司令张学良求援。然而，他根本不知道东北军、西北军正与中央红军度“蜜月”呢！张学良开了一张“望悉心坚守，援军不日即到”的空头*了事。而朱绍良更是无法可想，红军渡过黄河，兰州近在咫尺，自己还担心红军来攻打兰州。西北二马（马步芳、马步青）虽归他管，但根本不听他的调遣。朱绍良无奈之下，也只好玩起了虚招：“巳派队应援并补给，希督励所部奋勇杀敌，用建殊勋云云”安抚他心。
八月二十四日，彭老总指挥四师、五师、十三师攻克中宁，新编第七师被歼其大半，马鸿逵率千余残兵逃向银川。彭老总留五军团十四师一个团守中宁，率其余各部向北推进，一路如疾风扫落叶，攻占青铜峡、永宁，直趋银川城下。
远在内蒙临河集结的北纵队，留下补充团守临河，王参谋长率北纵队隐蔽南下，一路风餐露宿，于八月二十五日兵临惠农，才被马鸿宾发觉，但已来不及布署拦截了。二十五日攻克惠农，接着横扫了石嘴山、平罗、贺兰等地。九月一日与南纵队会师银川城下，从南、北、西三面合围银川。
三军团六师沿黄河东岸北上，攻占了吴忠、灵武，歼灭了马鸿宾三十五师的一个骑兵营和一个保安大队。九月一日到达银川对面的黄河东岸，从东面堵住了马鸿宾渡河东逃之路。
马鸿宾、马鸿逵舍不得自己经营多年的老巢，妄图负隅顽抗，早几天将附近各县的守军及保安队全部撤进城内，使得城内守军达一万七千余人，其中正规军达一万人。九月二日，彭老总写了一封《敦促马鸿宾、马鸿逵投降书》投进城内，期限24小时内必须投降，否则攻城。但城内两马对此毫不理采，仍一意孤行。两马还发出通告公布“十杀令”，严禁城内谈论议和一事，督促各部严防死守。于是，彭老总调整了战役布暑，以我师第三旅和五军团十三师作为北城门攻击集团，并配备两个炮兵营，由我师王参谋长统一指挥；以三军团四师、五师担任南城门攻击集团，亦配备两个炮兵营（三、五军团炮兵营），以五军团十四师（缺一个团）和我师骑兵旅在西城门佯攻，由五军团董军团长指挥，防止两马逃向西面腾格里沙漠。彭总决定九月四日凌晨六时发起总攻。
四日凌晨六时，南、北、西三个攻城集团在彭老总统一指挥下，发起了攻城作战。西集团只是佯攻，牵制敌军。董军团长从十四师抽调两个营在西城门做做样子，而师主力则在离城门几百米远的地方，选择有利地形构筑防御工事，阻击两马军队从西门外逃。同时，命令骑兵旅做好充分准备，一旦敌军突破十四师的挂截，就对逃出之敌进行围歼。
攻城北集团总指挥王参谋长见敌军防守严密，特侦营偷袭难以凑效，便决定强攻。以第三旅106团担任主攻任务，在两个炮兵营数十门大炮的强大火力支援下，在机枪火力与狙击手的掩护下，经过两个多小时的激战，终于用*包炸开了厚重的城门，部队冲进城内与敌展开巷战。与此同时，南集团三军团四师亦突进城内。马鸿宾、马鸿逵两人见大势已去，便留下两个团及地方民团与红军纠缠，拖住红军，两马率6000余骑兵，携带钱财家眷，打开西城门，向西面突围。遭到五军团十四师的顽强阻击，在丢失一半兵力后，冲过了十四师的拦阻，但随即遭到早已蓄势待发的我军骑兵旅的迎头痛击。此时，骑兵旅的火力优势就突显出来了，一经接战，敌军就折损大半。骑兵旅从三面进行合围，两马在其亲信的拼死掩护下，带着三百余残兵败将，向着腾格里沙漠落慌而逃。骑兵旅钟旅长命令骑兵一团立即展开追击，结果在沙漠边缘追上两马残敌，将其歼灭。马鸿逵被击毙，马鸿宾率十余亲随逃进了沙漠深处。
留在城内的敌军，得知自己的长官已逃走，就逐渐丧失了抵抗之心，又在我军强大的政治攻势之下，军心便已瓦解，大部缴械投降，少数顽固分子被击毙。至下午四时左右，银川市恢复了平静。中央派遣了强大的地方工作队，随军进驻了银川，接管了宁夏省和银川市的一切，单是收缴的银元就近两百万块，粮食400余万斤，还有大量的黄金白银。另外，还缴获战马3000余匹。中革军委命令五军团驻守银川及周边地区，协助地方工作队剿匪清霸。其余部队返回原地休整。
九月初，正在甘南地区休整的红二、红四方面军接到了中央来电，电文的主要内容是：中共西北局、红军总部及二、四方面军指挥部：