7月5日，毛**答复聂荣臻：“同意你们攻大同计划。望令张（宗逊）、罗（瑞卿）、杨（成武）精心计划，充分准备，坚决夺取之。同时准备歼灭傅作义向我进攻之部队。”
但是，毛**并没有放弃组织平汉战役的念头。7月6日，他又专电聂荣臻，再度强调打平汉战役的重大意义，要求抓紧准备，仍希望先打平汉战役。
7月中旬，国民党军在苏北、苏中解放区大打出手后，毛**敦促聂荣臻加紧实施“夺取三路四城”计划。7月22日，他致电聂荣臻等并告贺龙等，郑重指出：“大同由你们负责攻取，请即加筹划，能于八月内取得为最好。”“平汉、正太、同蒲三路及吕梁各县均须争取于八月内取得，一到九月，时局可能发生变化。”7月24日，聂荣臻复电军委，仍坚持先打大同：“如对大同城、平汉路、正太路同时动作，则不可能集中优势兵力，故在步骤上提议：第一步先攻取大同。第二步待大同攻下后，约须半月集中三个纵队挺进平汉路。第三步再向正太线进攻。”
7月25日，毛**电复聂荣臻：“同意先取大同，再取平汉，再取正太。”电报同时提醒，准备歼灭傅作义的增援部队。
六七月间，为了彻底孤立大同守军、创造夺取大同的条件，晋绥军区主力尽出，晋察冀军区配合，加紧了晋北攻势作战，歼敌8600多人，解放了忻县以北、大同以南广大地区，控制同蒲铁路北段250公里，切断了大同与太原之间的联系，使大同之敌完全陷入孤立。
这时，“第一步先攻取大同”，摆在了聂荣臻面前。
大同，为华北战略要地，兵家必争之地。从地理环境看，大同易守难攻：城西北，山岳拔起，延至城东，像一把圈椅，拱卫着大同；城东面，有御河流过，可依水设防；城南地形比较平坦，但城墙高峻。
大同守军1.9万余人，最高头目是阎锡山部第八集团军副总司令楚溪春，手下计有：第三十三军暂编第三十八师、东北挺进军两个骑兵师、大同保安教导总队（内有滞华日军800余人）、坦克车队以及广灵、浑源、阳高等县自卫队。
为坚守大同，阎部守军依恃12米高的城墙，筑有高、中、低三层堡垒，高处城墙上面有子母碉，城墙当中有枪眼，城墙外大小碉堡密布，并有交通壕连接，碉堡外部有铁丝网、外壕、拒马等障碍物，构成了坚固防御体系。
7月20日至26日，晋察冀军区以10个团的优势兵力，对大同以南的应县发起猛烈进攻，但屡攻不克，这引起毛**的关注。8月1日，他致电聂荣臻、贺龙等：应县久攻不下，你们对攻大同把握如何？攻大同的计划如何，何人指挥，使用哪些部队，攻城训练如何？你们以多少时间扫清外围及攻大同？如大同久攻不下，其结果将如何，此种可能性应估计到；上述各点请考虑详复。
8月2日，为了答复毛**的询问，聂荣臻在阳高主持召开联席会议。与会人员主要是晋察冀军区的，有军区副政委罗瑞卿、第二纵队司令员郭天民、第三纵队司令员杨成武、第四纵队司令员陈正湘等。晋绥军区方面，只有晋绥野战军副司令员张宗逊出席。会议决定，两区密切协同，以5个旅围攻大同，以4个旅打击傅作义部可能的增援。
晋绥军区只有我一个人参加。会上多数同志认为晋北战役之后，大同已经成为一个孤城，尽管大同工事坚固易守难攻，但守敌建制不统一，战斗力不强，我军如能在外围作战时大量歼灭敌人有生力量，再用坑道作业爆破城墙，大同是能够攻克的。会议着重讨论了大同战役的组织计划，分析了大同的情况，区分了任务。估计以十天作准备，十天扫清外围，再十天即可拿下大同。在会议上，我提到我攻大同，傅作义部可能从归绥（今呼和浩特）派兵东援。大家又认为大同不属傅作义所辖的战区，他即便出兵来援，兵力也不会很大，行动不会很快，只要我们攻下大同，傅部就不敢东来，所以会议对打援问题只确定了打点阻援的方针。……为了便于统一指挥，决定成立大同战役野战指挥部（又称大同前线指挥部），由我任司令员，罗瑞卿任政委，杨成武任副司令员。
阳高会议对傅作义部东援没有引起足够重视，对后来战役的发展非常不利。
阳高会议决定，由大同前线指挥部统一指挥晋察冀、晋绥军区的野战军和地方武装共9个旅30个团的兵力，实施大同攻坚作战。然而，不经统一指挥的事，竟然提前发生了。8月2日的阳高会议明明敲定，“估计以十天作准备，十天扫清外围”，外围作战应该在8月12日左右开始，可7月31日就有部队开始行动了。
在阳高会议之前，晋察冀军区第三纵队八旅、教导旅和晋察冀第一军分区以及晋绥第五军分区的部队，从七月三十一日起，没有在上级统一部署下，就对大同外围开始作战。这几支部队分别从西南和东北两个方向攻击敌人外围据点，切断了大同到怀仁之间的铁路交通，并且占领了几个据点。……驻守大同外围据点的敌人被攻击后，多数退集到大同近郊和城关各据点，这样就增加了我军以后攻城的困难。
8月6日，大同外围作战结束，部队暂时停止攻击，转入近郊作战及攻城准备，总体战果不佳。
8月11日，为一举拿下大同，张宗逊、罗瑞卿进一步调整对大同近郊作战和打援作战的部署。
大同近郊作战，主要突击方向为南、北两关，助攻方向为东、西两关，参战部队主要有晋察冀军区第七、第八、第十旅等，以及晋绥野战军第三五八旅一部；预定各部队在攻占四关后，以第三五八旅为主力，从西北面强行攻城，其他部队采取坑道爆破的方式突破城垣。
集宁（今内蒙古乌兰察布市集宁区）附近打援，以晋绥野战军独立第一旅扼守卓资山，独立第三旅第二十七团驻守集宁，绥蒙军区骑兵旅等拱卫集宁西北之大小土城、西南之十八台，作为打援的右翼兵团，统由绥蒙军区司令员姚喆指挥；以独立第三旅主力、绥蒙军区两个团前出凉城，教导旅置于新堂，作为打援的左翼兵团，统由独立第三旅旅长杨嘉瑞指挥。
8月14日黄昏，各部队经过一周时间的准备，对大同城郊和四关发起攻击。截至9月4日，晋察冀、晋绥两军区协同作战，将大同城四周据点全部荡除，共毙、伤、俘守军5000余人。
在城郊夺控要点作战中，也有一些不足：对城内守军出援，不是乘机截击围歼，而是单纯拦阻、击溃。
8月15日拂晓，为夺回城北要点白马城、天主教堂，敌骑兵第五师、保安大队及交警第三大队各一部，在4辆战车、2门战防炮的掩护下，出城反扑，城北攻城部队对其只是予以击退。9月2日，在北关车站即将失守之时，敌骑兵第五师一部向车站附近疯狂反扑，城北攻城部队又只是将其击退。
8月25日，在城南要点周家店被占、南大庙危急之时，敌暂编第三十八师师长韩步洲率领城内机动部队2400多人（其中有500名日军），以5架飞机为掩护，7辆坦克作先导，向南大庙、周家店反扑。攻城部队没有乘机集结兵力对其予以围歼，只是“依托既得阵地，同对方展开白刃格斗，打死打伤国民党军500多人，击毁坦克4辆，迫使其余部退回城内”。28日，该股国民党军和保安总队、交警第三大队，在飞机、战车的掩护下，兵分三路，由楚溪春随军指挥，再次向周家店、南大庙反扑。这又是一次乘机围歼的机会，可攻城部队又丧失了，只是组织兵力将其击退。
虽然存在种种不足，但攻城部队终于逼近大同城垣。大同前线指挥部决定，以坑道爆破配合炮火轰击的方式，准备进行强攻。从9月5日起，开始进行坑道作业，积极准备攻城。
9月5日清晨，正当攻城部队磨刀霍霍之际，傅作义部已经向卓资山发起进攻。
早在8月中旬，当晋察冀、晋绥军区围攻大同之时，蒋介石为促使傅作义积极出兵解围，将原属阎锡山所辖的大同，划归傅作义管辖。虽然傅作义及手下将领都明白，蒋介石此举意在借自己这把刀，但从自身利益出发，又不愿丢失新划拨的地盘。于是，傅作义决定，一面以“和平解决”为名，派代表同大同前线指挥部谈判，以掩护其行动；一面集中第三十五军3个师、暂编第三军2个师和4个骑兵纵队（师）共3万余人的兵力，以平绥线为轴线，分南、中、北三路向集宁进犯，企图一举攻克集宁，南援大同，然后相机攻取张家口。