年8月21日拂晓，西北战场最后的大决战兰州战役正式打响。第一野战军抽调了9个团对兰州外围阵地发动进攻，经一天苦战，弹药消耗了不少，但战局没有任何进展，部队伤亡比预想的大得多。
尽管事先已经充分估计到了作战的困难，但这样的结局也是谁都接受不了的。当晚10点，一野司令员彭德怀、副司令员张宗逊向总部报告：“本日试攻兰州外围，19兵团5个团，2兵团约4个团，结果未攻下一个阵地，守敌顽强，工事很坚固。”
一野的报告中出现了“试攻”这个词，在我军战史上是很少见的。战斗是真刀真枪打的，并非佯攻，如果拿下了阵地，就自然也就不是“试攻”了。之所以说成是“试攻”，并非是一野首长推卸责任，而是出于对保护部队士气的考虑，这在当时的背景下是完全可以理解的。
但凡去过兰州的人，无不为这里的地形而震撼——南北两山险峻异常，一条黄河穿城而过。从军事上讲，攻打兰州无法形成合围，因此不大可能打成歼灭战。而要攻进兰州城内，则必须首先攻下城南的皋兰山。这座光秃秃的山连绵20里，平时徒步登山都很不容易，而马家军在主峰营盘岭上造了三道高约6至10米的环形人工峭壁，还设置了大量的鹿砦、地雷、铁丝网，那些或明或暗的钢筋水泥碉堡早在抗战时期就开始修建，如今又多重加固。这样复杂的防御体系，是一野部队以往未曾遇见过的。
马步芳的老巢在西宁，但兰州却是马步芳的主要势力所在地，不到万不得已自然不会轻易放弃。他将其主力几乎全部部署在兰州，由其子马继援（82军军长）坐镇指挥。马继援除了将91军、军、81军共三万人部署在靖远和景泰一带保障兰州侧翼，其余的主力82军、军以及三个保安团共5万人全部驻守城区，防御的重点就在南山。
一野两个兵团在20日才到达兰州，结果次日就发起进攻，如此仓促显然是犯了兵家大忌。彭总在报告中说，主要原因是轻敌，其实这未必是主因，更主要的原因是一野无法从南北两面包围兰州，控制着黄河铁桥的马家军随时都可能从城北逃走。如果不能将马家军聚歼于兰州城内，而将其放跑到老巢青海，那就会贻害无穷。正是出于对敌军弃城而走的担心，所以彭总才会不顾情报不明、准备不足等不利条件强行发动攻击。
在21日的战斗中，19兵团以63军、65军各一部共5个团的兵力攻击马架山，以师团担任主攻，另两个团一个助攻侧翼，一个当预备队。马架山的阵地上埋设了大量铁丝网和地雷，铁丝网上还挂着炸弹，每枚炸弹又连接几枚地雷，只要一踏响地雷，即会引起连环爆炸。团在通过火力封锁区时就因此吃了大亏，先头部队陷入到敌军地雷阵中，损失巨大。后续部队前仆后继发起连续进攻，几乎是烈士的遗体铺平了道路，通过了铁丝网。当他们冲到外壕时遭到敌军疯狂反击，展开拉锯式的争夺，即便另两个团也投入战斗，依然无法突破，最终不得不撤出战斗。
第2兵团抽出4个团进攻营盘岭、沈家岭，同样接连受挫。
6军17师50团担负攻打营盘岭的主攻，16师46团助攻。进攻前的炮火准备只掀掉了敌军工事的一层皮，各种明碉暗堡没有受到实质性破坏。如此一来，进攻部队完全暴露在火网之下，爆破组根本就无法接近。
防守沈家岭的马家军师把主阵地修成了圆形堡垒，在三道防线的要道前埋设了大量地雷，甚至还把炸弹放在汽油桶内堆放在阵地前，一旦引爆就是一堵火墙。担任主攻的4军11师32团在黑夜中接近阵地，天亮了发起进攻，反复冲杀之后还是站不住脚跟，最后全部撤了下来。
苦战一天，部队全线受挫，三个山头没有打下一个阵地。19兵团司令员杨得志说，打了一天没有攻下一个阵地，这是从来没有过的事。
彭德怀战后总结，进攻受挫的原因主观上讲是轻敌，客观上讲是青马部队确实顽强，而且工事修得非常好。不过他也肯定了这次“试攻”也有收获，那就是基本摸清了对手的底细。他勉励杨得志总结经验，研究敌人的防御特点，把准备工作做好后再发起总攻。
彭总所说的摸清了对手的底子，不仅仅是查明了对手的防御部署以及大小火力点的位置，更重要的是通过这次战斗确定了马家军绝无放弃兰州的打算，而是下定决心与我军在兰州决战，而这正是彭总求之不得的。
首战失利，也和一野部队攻坚能力不足有关。原西北野战军的部队是全军装备最差的，他们严重缺乏重武器，弹药更是奇缺。有资料显示，西野最强的1纵在整个解放战争期间一共消耗了发炮弹，这仅仅相当于东野部队攻打四平时12分钟的炮弹消耗量。而且西野部队之前很少打攻坚战，至于攻打省会城市的战斗这还是第一次，经验明显不足。
来自华北的19兵团装备情况要好一些，但和东野部队比起来同样差距很大。华北部队打山地攻坚战的经验也不多，只有在太原战役中得到了较大锻炼，不过他们同样也受到炮火不足的困扰。
首战结束后，马家军士气高涨，原本还在弃守之间摇摆不定的马步芳对守住兰州信心增强，在自己返回西宁后，把兰州防务全部交给马继援。马步芳给宁夏马鸿逵发报通报兰州战况，催促他尽快向兰州靠拢。马鸿逵对兰州的得失并不关心，因此只是回电敷衍了一番，并没有派出一兵一卒。
年轻气盛的马继援和老谋深算的乃父不同，他少年成名且一帆风顺，之前从未吃过大亏，自然是志得意满。特别是他在西府陇东战役中曾重创孤军北撤的西北野战军，被胡宗南吹捧为“当世英雄”，名噪一时，因此并未把一野部队放在眼中。加上首战告捷，自然更加骄狂，把手中全部兵力都投入到兰州防御之中，反倒给了彭德怀一网打尽的机会。
如此一来，兰州便成了马家军的终结地，这正是福祸相依，世事难料。
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