1941年5月11日，经过一个月的整编，八路军新编第一师，以装甲旅为核心，辅以骑兵旅和步兵旅，增强了炮兵部队和工兵部队之后，以多纵队协同推进的“分合战术”，以装甲旅为先锋铁拳，直指甘肃武威。
八路军新编第一师这次出动，一共调集了1000多辆马车，在后方组成了3000多人的运输队，用来保障整个大军西进的物资运输。
在大军西进前，王铁就向徐师长提交了部队以快速作战为主，闪击武威，来一场中国版的闪电战。
王铁的作战计划的到了徐师长的支持，并直接上报延州。
延州对于此次的作战计划进行了反复研究，最终同意按照新编第一师上报的计划执行。
1941年5月11日，八路军新编第一师装甲旅的突击群以四十几辆火力突击车为先锋，骑兵旅为侧翼，炮兵团后卫，为沿宁夏至武威的戈壁公路突进。
轮胎碾过沙丘时掀起漫天烟尘，整个先头部队在5月16日凌晨抵达武威城外，装甲旅直接开始攻城，后方紧随的炮兵部队在五公里外架设炮兵阵地。两百多门火炮同时指向武威城，只等待一声令下便可随时开炮。
黎明时分，马步芳部骑兵第3旅的巡逻队发现装甲群逼近，但未及传讯，八路军炮坦协同已精准启动，三发试射炮弹炸毁武威东门哨塔，紧随其后的是密集的炮弹从天而降，如同流星火雨一般坠落在武威城的防御工事上。
整个武威城的防御在这铺天盖地的炮火下，根本构不成任何抵抗就已经彻底瓦解。
装甲旅以突击炮车为先导，一轮齐射过后，武威城的城墙倒塌，外围的防御工事彻底被撕开一道巨大的口子，装甲旅的火力突击集群随即冲破城门，机枪手从车顶探身扫射溃逃的守军。
城内马家军依托清真寺建筑群顽抗，可装甲旅根本不给他们任何机会，装甲车在突击队的掩护下直接递进射击。密集的火力阵直接将那座清真寺建筑群夷为平地。
城市里，并不算宽敞的马路上，马家军的马刀砍在装甲车的钢板上火星四溅，八路军的战士借着装甲车的掩护从后方不停的向那些顽敌射击，投掷手榴弹，爆炸声里全是战马的嘶鸣。
战至正午，守城的步兵已经被成建制消灭，马步芳嫡系骑兵旅残部100多人退入祁连山。骑兵旅分出一个团的部队驻守武威，新编第一师的其余部队继续向张掖进发。
八路军新编第一师的后续部队在武威被攻下数个小时之后赶到城中，工兵团在李云龙的指挥下夜修复被毁的公路和城防工事，步兵旅分出一个团接手城防任务，骑兵团被徐师长派出去清缴残敌，确保后方道路畅通，后勤保障能够跟得上。
5月23日，张掖城外戈壁滩上，马步芳之子马继援亲率青海骠骑师，以及征召来的一万多民团骑兵，共计多骑兵朝着装甲旅发起了冲锋。
战马裹挟黄沙如潮水般涌来，装甲旅在王铁的指挥下，以一半数量的突击车为外围火力防线，火力突击车和防空车为中坚力量，形成突击集群，火炮突击车和炮兵团为支援火力。
剩下的半数突击车和步兵在炮兵团外围构成防御阵地，同前方的突击集群形成交叉火力网。
同时派出骑兵旅迂回侧翼，八路军骑兵旅长吕镇朝率部从侧翼突入，直扑马家军后方。
八路军骑兵旅的装备精良，配备了大量的冲锋枪，战士多是从内蒙地区招收的，马术精湛刀法犀利，马家军的部队根本招架不住。
马继援卫队拼死护主突围，却还是被八路军猛烈的火力给一次次阻拦下来，最终马继援被击毙于张掖城下。
随着马家军骑兵被消灭，城内守军士气崩溃，张掖城守备团团长放弃抵抗，举城投降。王铁率领新编第一师先头部队入城休整，两天后徐师长率领后续部队抵达张掖。