第一梯队由1营（欠3连）配属7连、警卫连组成；1、7连为左翼，2连、警卫连为右翼；1、2连担任尖刀连；7连、警卫连担任爆破分队；突破后直插敌师、团指挥所。
第二梯队由2营组成；在1营突破后，从其右翼加入战斗，向城中心鼓楼方向发展进攻。
预备队由3营（欠7连）担任。
由师统一组织炮兵、轻重机枪火力支援战斗。当夜，13团按两条突击路线，组织2、3营连夜构筑了近千米的交通壕、隐蔽部和火力发射工事，又将进攻出发阵地向前推进到敌障碍物外50米处。于次日6时前完成了进攻准备。
攻坚战斗炮兵火力准备
10月1日6时，5师完成一切进攻准备。9时30分，师炮群开始火力准备，各火力队按分工目标，进行30分钟猛烈的破坏射击。炮纵1团以3个重炮连集火射击，在突破地段城墙上打开一个30余米宽的豁口。师山炮营将12门火炮抵近至距城墙200米处直瞄射击，精确地摧毁突破口附近的敌堡；2连4门炮均遭敌炮火机枪压制，战士们英勇地从打塌的阵地中抢出炮弹，继续射击；全营平均以2发炮弹消灭一个目标，连续摧毁敌堡54个。团属炮兵及轻重机枪继续抵近射击，掩护我爆破分队在障碍物中开辟通路。7连扫雷班携带炸药引爆敌雷区；爆破班用爆破筒炸开梅花桩、绊脚索和铁丝网；警卫连战士张少泽连续3次完成对护城壕的重量爆破。13团7连和警卫连并肩实施连续爆破，以重量爆破炸塌护城河岸，顺利扫清了外壕外四道障碍。7连在第一道外壕架桥梯时，遭到右侧暗堡火力袭击，伤4人；指挥开辟通路的团作战股长李德功当即调整来九二步兵炮和火箭筒将其摧毁。7连迅速架好桥梯，以重量爆破炸塌了第二道外壕，在30分钟内连续排除7道障碍，为步兵开辟了通路。
13团的突破战斗
10时30分，在我爆破分队开辟通路后，炮兵进行了5分钟火力急袭射击，炮火延伸，尖刀1、2连立即发起冲击。时任师参谋长的我随第一梯队团，在前沿直接掌握总攻讯号的发出，协助13团首长指挥战斗，并指挥各火力队以确保火力与步兵之协同。冲击发起后仅4分钟，左翼尖刀1连5班的徐富等五勇士率先沿坍塌墙坡登上城墙，插上了红旗。尖刀2连也相继冲上城头。团长张峰、政委朱嗣龄随即冲到突破口，指挥部队抗击敌反冲击。10时40分，敌一个连乘我突击队立足未稳，在火力掩护下从大庙分3路发动反冲击。1连正面抗击，以猛烈火力予敌大量杀伤；2连在重机枪、六O炮火力掩护下，从敌右翼出击，将反击之敌大部歼灭，并乘胜占领了大庙。7连和警卫连各以一部分别沿城墙向东西两侧发展进攻，巩固扩大了突破口。
14团消灭西侧侧射火力点
13团突破后，师二梯队14团迅速加入战斗。团长薛剑强、主任许乐夫率一梯队1营，政委任茂如率二梯队2营、3营为预备队，副团长王扶之负责指挥火力。我随一梯队营冲到城墙塌坡上冲进突破口时，不料敌西南角地堡群复活，敌重机枪火力以猛烈侧射封住了突破口，我看到主任许乐夫负伤倒着，当即令人将他转到外壕内救护。政委任茂如随5连前进受阻，被敌火压制在壕沟里。此刻，副团长王扶之迅即指挥6连一个排，在15团炮火支援下，将该地堡火力点摧毁，缴获轻重机枪七八挺。在通过突破口时，14团伤亡100余人，1营长林克宽牺牲。部队通过外壕时，一些负伤的战士喊着让战友们从他们身上踏过去，部队深受鼓舞，不停的冲进城去。我随14团冒着敌火迅速向纵深猛插，向东北角发展进攻，一直打到钟鼓楼。
15团西门佯动
总攻发起后，15团担任师预备队，并以2营一个连佯攻西门外的发电厂，团主力则奉命向西南机动。13团突破后，15团即令4连乘势从突破口冲进城内，沿城墙冲击迂回至西门，打开城门，内外夹击，扫清了西关和发电厂之残存据点，俘敌230余人。
纵深战斗
13团的战斗经过
13团一梯队1营突破后，乘胜向敌团指挥所（胡家大院）发展进攻，敌一个排在装甲车掩护下发动反冲击。1营以猛烈火力将敌击溃，缴获装甲车1辆，攻占胡家大院敌团指挥所。
11时20分，13团二梯队2营从2连突破口冲入城内，加入纵深战斗。在营长周登科率领下向钟鼓楼方向发展进攻。张峰团长令2连随2营前进，1连向北进攻，配合团预备队3营歼灭敌山炮营。
11时40分，3营进入1连突破口，遭敌炮火阻击。通过外壕时，西南角敌一暗火力点复活，教导员曹海洲牺牲。营长魏福祚率所部迅猛闯过火力封锁，沿城墙向北继续发展进攻。3营与1营协同作战，在西门东北侧歼敌一个山炮营，俘敌200余人，缴获山炮12门。
12时许，2营4、6连进至钟鼓楼，5连插向钟鼓楼南侧之敌师指挥所（仁老汇面庄），遭敌200余人抵抗。团组织5连、2连侧翼迂回，炸开院墙，同时冲进敌师指挥所，5连活捉了敌师长王世高、副师长韩润珍。在2连配合下，2营攻克钟鼓楼。13时30分，13团协同兄弟部队攻占了伪县政府。
14团的战斗经过
3营营长刘培珍在吴家小庙战斗中牺牲后，由团组织股长张明远代理营长，率3营冲过突破口，进入纵深战斗，由西角一直打到义县北门，俘虏、缴获各一部。3营代营长张明远在攻打钟鼓楼的激战中牺牲。1营在团长薛剑强直接指挥下，俘虏、缴获敌各一部。政委任茂如一面指挥2营纵深战斗，一面告诫部队严格遵守战场纪律。义县战场纪律，通过四平整训确实提高很大。战后全团认真清查，无一例缴获不归公的。
15团的战斗经过
15团担任师预备队，佯攻西门外发电厂。突破后，15团即令4连乘势从突破口冲进城内，迂回至西门，打开城门。在歼灭发电厂之敌230余人后，1、4连又参加了城内的纵深战斗。15团虽然没有担任主攻任务，但经受了锻炼，为尔后攻打锦州保存力量，取得了经验。
5师迅速完成肃清城西、城南部规定作战地区之敌，旋又勇猛地插向城内，协同兄弟部队寻歼守敌。经4小时激战，5师和3纵全歼国民党军第93军暂20师及一个骑兵支队约万人。5师歼敌4394人，含毙敌654人，俘敌师长、副师长以下3740人，缴获火炮57门，轻重机枪152挺，枪支1782支及大批军用物资。5师亡184人，伤778人。战后，纵队授予13团1连“先锋连”荣誉称号，集体记大功一次；师授予13团7连“智勇双全”锦旗；1连战士徐福等5人率先登城，各记三大功。战士徐福还被纵队授予“战斗英雄”称号。
义县战斗是辽沈战役的初战，攻克义县为尔后攻克锦州，实现军委辽沈战役方针和东总作战部署，打开了门户，并为锦州攻坚战提供了战法经验。至此，东北野战军完成了对锦州国民党军的战役合围。
战后5师就地补充人员装备，从俘虏兵里选拔出1800余人，经教育后补充到各团。10月6日开赴锦州西北50余里的下苏沟一带集结休整，准备参加战役决战——锦州攻坚战（10月14日）。
《中国人民解放军陆军第39集团军军史》如是评价5师（今116师）在义县攻坚战中的业绩：
“这次攻坚战，五师组织严密，正确选择了主攻方向和突破口，充分发挥了炮火的威力，步炮协同密切，尤其是大规模地采用了挖壕接敌的做法，不惜伤亡代价，坚决按时完成，使部队平时训练的一整套攻坚战术、技术能够很好地应用于初战，大大增强了部队的突击力，减少了伤亡。这一成功的经验引起了东总司令员林彪、政委罗荣桓等首长的重视。战后，东总即派参谋处长苏静到3纵和5师阵地了解义县攻城经验，特别是5师大规模挖交通壕接敌的经验，并将5师参谋长汪洋介绍的挖壕经验向林彪作了汇报。林彪当即根据5师的经验口述七条指示①，向所有攻锦部队推广，严格命令执行。”
①注：林彪当即向所有攻锦部队下达七条命令：一、每个师需以六个营的兵力（三分之二的兵力）全部用于挖交通沟，只留下担任尖刀部队在后面进行充分的突击准备，绝不可只依靠少数部队挖交通沟。二、挖交通沟时，要有不怕伤亡、不怕疲劳的精神，大胆进至距敌五六十米处，沿途摆开由前向后挖，前后同时挖。三、每个师要挖五条或三条交通沟。四、每条沟须高宽各一米五。五、挖沟部队可于夜间接近敌人挖，白天撤回休息，以少数部队控制交通沟。挖沟时先须以卧倒姿势挖卧沟，然后逐渐挖成站沟。六、以上指示必须坚决执行，不可懒散怕疲劳不执行。今后东北全军的基本任务是攻大城市，故各部须在此次挖沟中，在思想上与作风上打下坚固基础。则今后作战就增加了重大的必胜因素。要不怕疲劳，只要我肯挖交通沟，则不管敌火力如何激烈，工事如何坚固，都将使其大大丧失作用。七、各部须立即向着自己的目标和地区开始挖交通沟，此次战役结束后将挖交通沟作总结检讨报告。
