1947年7月，解放军开始从自卫转为战略进攻，而蒋军则由进攻转为防守。晋察冀军区司令员聂荣臻决定将战争引向敌占区，趁敌人防线空虚，快速进攻正太铁路。他制定了三个目标：一是将晋察冀与晋冀鲁豫两大解放区连成一片；二是孤立敌军在石家庄和太原的主力，为以后夺取这些城市创造条件；三是诱使石家庄的敌军主力出援井陉，以便在野战中歼灭敌人，顺势夺取石家庄。 接到命令后，第3纵队司令员杨成武分析了敌人的兵力部署，认为敌军在正太线的阵型像一条长蛇，蛇头位于井陉和获鹿，蛇腹在娘子关和阳泉，蛇尾在黄丹沟。因此，他提出了三刀战术：先攻击蛇头（井陉、获鹿），然后攻击蛇腹（娘子关、阳泉），最后攻击黄丹沟，这样可以使敌人只能死守，而无法反击。 参谋长陶汉章补充说，敌人位于蛇头区域（井陉、获鹿）离石家庄很近，一旦击溃敌军的蛇头，敌人必定会出援，因此要派部分兵力先行进攻井陉，同时准备伏兵，等敌人援军到达时再进行打击。与此同时，其他部队要迅速西进，夺取娘子关、测石驿、阳泉和平定。为了确保敌人无法逃脱，第四纵队负责切断黄丹沟的铁路。

这次战役，晋察冀军区调动了三纵、四纵和二纵三支部队。各纵队严格保密，行动隐蔽，经过半个月的行军，敌人竟然没有察觉到任何异常。各部队到达指定地点后立刻投入战斗。杨成武指挥有山地作战经验的第9旅率先攻打蛇头——井陉。 24日，第9旅旅长陈仿仁报告说，他们出其不意，迅速占领了井陉，歼敌1000余人。陶汉章听后说道：这是第一刀，成功了！井陉被攻克后，获鹿的敌人只能龟缩，不久也会被拿下。 然而，敌人始终没有出现援军的迹象。25日，敌人依旧没有任何动静。杨成武判断，石家庄的敌军不敢出援，决定迅速西进。参谋长陶汉章随即下令按原计划行动。26日，前线报告称，部队已到达娘子关南侧，但由于道路艰险，部队被迫绕路。27日清晨，第8旅和第7旅先后抵达娘子关西南侧。通过望远镜观察，发现娘子关的敌军没有反应，工事也少得可怜。

杨成武感到疑惑：敌人长期驻守在娘子关，为什么不加强工事呢？陈仿仁也发现了类似情况。 三纵参谋长陶汉章认为，越是发现不合理的现象，越要加强侦察，不能轻举妄动。于是，陈仿仁派侦察队深入娘子关，并派遣一支装备精良的步兵连（携带自动步枪和75无后坐力炮）向敌人的城墙靠近。当他们距离敌人约300米时，敌军突然开火，黑夜中，火光四射，敌人的火力异常猛烈。这时，才发现敌人在城墙下方构筑了成排的掩体，并挖了射击孔，工事层层叠叠，还布满了铁丝网和地雷。地下还有地道通往铁路桥下，形成了一座坚固的要塞。 杨成武分析认为，不进行强攻是正确的决定，因为强攻必然带来巨大的伤亡。于是，陶汉章指示陈仿仁，尽量减少第一梯队的兵力，加强火力支援。他们决定集中20具火焰喷射器，逐点攻击。若进不去，就用喷火器烧敌人。但要稳步推进，不可急躁。

随后，第9旅利用地形，将山上的干柴滚到娘子关的敌人工事上，用喷火器点燃。敌人完全没有预料到这一招。经过一个多小时的激烈交火，敌军的抵抗逐渐减弱，最终第9旅成功攻占了敌人的工事。然而，敌人不甘示弱，发起了反扑。陈仿仁立即调派两个团发动合攻，经过激战，成功击溃了敌人的反扑，夺取了娘子关的控制权。 其他部队随后深入敌人的地道，通过政治攻势，迫使800多名敌军投降，娘子关成功解放。 至此，蛇腹已被砍断。陶汉章说道，正太铁路线已经被完全瘫痪。

这时，杨成武接到四纵来电，得知阎锡山派遣大军增援，前方是装甲车开路，后面跟随9列火车，地面上还有许多载重汽车，已经越过黄丹沟，正在向平定、阳泉方向移动。这一情况引起了聂荣臻的高度重视，他表示：这是阎锡山主动送上门来的机会，我们必须全力以赴！ 杨成武也认为，敌人已经失去了先机，应当立即进攻。他指示陶汉章：不能让敌人靠近阳泉，我们要在大山沟中歼灭他们。 于是，三纵第8旅炸断了测石驿以西的铁路，四纵也炸断了黄丹沟以东的铁路。接着，三纵和四纵分别占领铁路两侧的高地，对阎锡山的增援部队形成了夹击之势。阎军被困在狭小的区域内，发现自己陷入困境后，试图突围逃向太原。

此时，聂荣臻下令发起总攻，迅速解决战斗。经过短短两个小时的激战，敌人被彻底歼灭。陶汉章感叹道：这第三刀是在敌人夹着尾巴逃跑时砍断的。 此次战役，晋察冀军区共歼敌4.5万余人，缴获了4辆装甲车、4门炮、120挺机枪、9万支步枪和2000多万发弹药，以及大量无法计算的物资。解放军还解放了七座县城和三个煤矿，控制了正太铁路180多公里，使晋察冀和晋冀鲁豫两个解放区连成一片，石家庄和太原成为了孤立的陆上孤岛。 正太战役最终胜利结束，聂荣臻总结道：三个战略目标都已实现。

此战役被记载在陈冠任著作《解放军十大元帅：解放军十大统帅鲜为人知的历史》中，该书曾荣登中国军事畅销书榜单第一名。