卫队，要求发枪。参军极为踊跃，市民亦自发起来，参加修筑防御工事，组织救护、运输、肃奸队，军民一心，同仇敌忾。卢汉日夜坐镇在指挥司令部里，随时在电话中向军师长询问部队情况，时常找军需官了解粮弹的储备与供应，召集参谋人员谢崇文、佴晓清、杨济宽、杨剑秋等研究作战方案，对敌我态势进行详尽分析。又特向人民解放军第二野战军求援告急，积极与边纵朱家壁进行联系，要求边纵攻击26军的侧后。当卢汉收到刘、邓大军的陈、宋兵团已奉命向云南全速挺进的消息时，起义部队极为振奋，对保卫昆明更加充满信心。
12月16日下午，敌搜索部队在昆明外围与起义军警戒部队发生接触，揭开了战斗序幕。17日凌晨，东南两路敌军向起义军发起试探性攻击，在大板桥、跑马山、小板桥一线发生激烈战斗。
第8军之一部则迂回至金殿黑龙潭一带，侧击起义军的守备部队。卢汉在积极组织反击的同时，又派扣留下的几架运输机去轰炸蒙自、沾益飞机场，破坏敌空中补给基地，并向敌军散发传单，侦察敌情。入夜，敌军小部队四处进行扰乱，似有要在次日发动总攻的模样。卢汉星夜召开军事会议，研究对策。鉴于93军防广兵单，配备薄弱，阵地拉得太宽，在敌军大兵力的攻击下，势难持久，就召集谢崇文、佴晓清、杨断宽等参谋人员和龙泽汇研究后，断然决定缩短防线，以城防工事为主阵地，在北教场、巫家坝一线的前方作为迟滞敌人行动的前进阵地。这样既可节约兵力，以逸待劳，发挥城防工事的作用，又可以控制有力的机动部队，作为支援重点方面的作战和出击，先求稳当，次求变化，不致造成挨打而无法还手的被动地位。
另一方面，卢汉遵照刘邓首长的电示，加紧做李弥和余程万的工作，以瓦解和促使第8军和26军官兵起义。卢汉早在11日即发表二人为军政委员，12日又把余程万搬到他家新公馆里住，派李耀廷、张天如去作陪说服；让李弥转移到龙泽汇家里住，由赵诚伯、李鸿谟作陪说服。二人都很愉快地接受了指示，当即发表起义广播，并多次写信去敦促26军改变番号，参加起义。李弥还主动提出放他老婆先去向第8军做说服工作。卢汉虽然疑信参半，但仍同意了他的请求。可是当晚，据他老婆返昆说，第8军官兵表示只要李弥能出去，一切均可照办。为减轻昆明的军事压力，保全地方元气，卢汉便决定放李弥出去，希望第8军实现起义的行动。岂料李弥一出去后，却主张不打昆明，把部队拉到他的家乡滇缅边境，以便取得美英支援，谁知曹天戈疑心他被卢汉收买，挟持他继续与人民为敌。
果然，18日拂晓，26军发起猛烈的进攻。上午8点左右，敌人炮弹打到巫家坝机场内。龙泽汇带卫队驰至机场。恰适保6团退下来，龙大声疾呼：“不准退，不准退！”并当面下令该团团长李达人稳住战局。李慌忙地说：“我、我在诱敌深入。”“胡说，你这样搞，会影响全线的！”龙怒火中烧，不顾一切地命令部队向前守住阵地，顶住打，冲上去！这时敌人的迫击炮弹在附近爆炸，起义部队不为所动，继续反击，全团士气大振，奋勇杀敌。正在这紧张时刻，余建勋的先头部队保5团赶到，于是两团官兵握成一个拳头，向敌人狠狠打去，一举将敌击退。与此同时，李焕文的保10团在杨方凹一带受敌猛攻，龙泽汇只好命令作机动的赵振华率保15团顶上去，终于打退了敌军。龙泽汇将战况向卢汉报告，卢汉高兴地给保5团团长马荣凯和赵振华记功，并把李达人撤职查办。
到19日凌晨，东南两路敌军全线发动总攻击，战斗异常激烈。自晨至晚，枪炮声不绝于耳。敌步兵在炮兵火力掩护下，进行波浪式冲锋，声势凶猛。
第8军的山炮部队放列在大树营前方，直接轰击东北城隅，大东门、圆通街及圆通山上均落有零星炮弹。起义部队93军依据坚固的城防工事，构成严密的交叉火网，予敌猛烈的集中射击。任敌反复冲杀，仍未越雷池一步。在夜幕降临之后，敌军组织敢死队，并欺骗士兵说，城内银行里的黄金白银很多，打进昆明，可以自由行动3天。敌又发动了空前猛的进攻，妄想利用暗夜，集中优势兵力和火力，推毁城防工事，打开突破口，突入城内，抢掠财物，扩大战果。但由于城内守备部队的顽强抵抗，集中自动火器，予以歼灭性的打击，粉碎了一批敢死队员的疯狂猛扑。南线的柳坝、南窑一带，炮火连天。东线的第8军一部则迂回到铁峰庵、涌泉寺一带，被起义部队张秉昌师英勇阻击，形成拉锯。卢汉命令龙泽汇和佴晓清、许义浚等分别到各阵地督战，给部队很大鼓舞。当夜，纺纱厂附近枪声激烈，龙泽汇即率领卫队经东寺街去察看，见居民纷纷走上街头，迎到他们面前，毫无惧色。人们盯着龙泽汇说：“龙军长，不要怕，假使敌人窜进来，我们拿扁担也要把这些狗日的打出去！”人民的支援鼓舞着起义部队，人人争先，奋勇杀敌。午夜以后，敌军攻势顿挫，再衰三竭，直至停止猛攻，只得派小股兵力不断扰乱。卢汉立即命令部队利用战斗间隙，进行整补，以迎接来日的决战。
还在头一天上午，巫家坝前沿送了一个自称投诚的班长到指挥司令部来，口口声声要见卢汉。龙泽汇叫人仔细搜查他的身上，除了一封信外什么也没有。这是26军前线一个名叫罗伯刚的团长写来的信，信中表示该军为了营救余程万，一定要战斗到底，哪怕只剩一人一弹，也要血染滇池，在所不惜。卢汉当即叫人把送信人带去见余程万。这个班长见余程万后放声大哭，余程万也为之动容落泪。卢汉考虑到既然26军是以营救余程万为名而战，如果放余出去该军将无所借口，可以起到从心理上瓦解敌军的作用，从而避免兵祸，可保地方元气。即使万一不起作用，大不了如李弥一样，对起义军也不会有什么影响。何况余程万信誓旦旦，坚决起义，为人也没有李弥那么奸诈呢！因此，卢汉遂决定放出余程万，并由杨文清陪同，亲自和他谈了一次话。谈话的主要内容是概述了当前的形势和解放大军已逼近云南的情况，并且着重指出：“蒋介石的几百万军队均己被打垮，现在这一两个军又算得了什么？蒋的亲信都已逃到台湾，留你们在这里当替死鬼，对国家对个人有什么好处？就利害关系而言，我过去追随蒋介石，这是大家知道的。现在大势所趋，人心所向，我也毫无顾忌地宣布起义，你们又有什么可顾忌的呢！”余程万感激涕零，以手指天为誓，表示出去后一定要率全军起义，决不辜负卢主席和云南地方父老的这种厚爱。随后卢又嘱咐：“你要把26军移驻宜良、开远一带。改变番号，通电起义，接受新职，待部署妥当后，望即返昆行使军政委员的职务。”12月20日上午，即由佴晓清派一参谋和吉普车一辆，送余程万出巫家坝。岂料这时炮火猛烈，26军的山炮部队正向起义军核心阵地前沿射击。步兵正向五里多、吴井桥方向冲杀，企图突入塘子巷火车站。而第8军则重点攻击昙华寺、大树营地区，步兵在隆隆的炮火掩护下，突击崔公堤附近阵地，有的狡猾地利用连埂的村庄和工厂，企图突入市区，其炮火则不断向东城一带盲目射击，炸毁民房多处。中午，忽报铁峰庵失守，敌军已登荷叶山、王帽山构筑工事。起义部队随即将预备队增援大小连山，战局十分危急，卢汉连续急电催余建勋军主力火速来援。
直到下午4点，在26军炮击的空隙里，余程万才爬上巫家坝附近的一个土堆上，手摇白旗，高声呼叫：“我是余军长，你们不要打了！”叫了几声，对方步兵看清了余程万，遵命停止射击，把余程万迎了过去。果然，南线炮火遂趋沉寂。傍晚，26军的攻势已停。东北面的枪炮声却有增无减。
夜里，卢汉接到刘、邓两将军重庆来电，谓已饬令杨、苏兵团派出快速部队，用汽车运输，星夜驰援昆明，希与取得联系，密切配合，共歼敌军。杨勇司令员和苏振华政委，也从贵阳来电告知，快速部队业已派出，正兼程驰援昆明，约于23日即可到达曲靖。解放大军驰援昆明，指日可到的喜讯，瞬即传遍全军，一时士气大振，欢声雷动，连日的顾虑和忧虑为之一扫，战斗精神焕发，遂用猛烈的火力歼灭东北方向敢于来犯之敌。
21日清晨，出现了奇怪情况，不仅南线寂静无声就连东北两面的枪炮也不响了！难道敌人已经知道解放大军不日将到昆明解围的确切消息了么？果然，敌人得知人民解放军将到的消息后，惊恐万状。26军的攻城部队是在20日黄昏奉命向南撤退，至宜良后余程万遂为新任军长彭佐熙所挟持。
第8军是在当天黎明前知道26军已经撤退，陷于孤立境地，感到侧翼暴露，生怕被我围歼，也就纷纷撤退了。昆明城围遂告解除。
残军败走建水当第8军未撤大板桥之前，170师师长孙进贤曾接到一次李弥自沾益发出之急电，即命令第170师立刻北进嵩明、东种，占领巧家。任务是掩护第8军主力向滇北撤退，计划分两路向川、滇、康边境转进，与胡宗南靠拢，但孙进贤本人及其他军官均表示反对，遂未行动，部队都集中于大板桥。李弥此时亦自沾益回到大板桥，遂立刻开会，在提到全军转进西康计划时，第6编练副司令曹天戈及各位师长则一致反对。大家都认为当时胡宗南在西康，已处于困境，正在走头无路，自身难保。况且西康荒凉，人烟稀少，资源补给与冬季士兵之被服，都是难解决的问题。尤其是大军跋涉，眷属随行，恐怕不到西康，就有瓦解之虞，不如趁卢汉，余程万两部尚未会合之际，从速穿过呈贡，直奔建水为上。同时滇南物资丰富，又接近国境，更便于进退。李弥听后，遂放弃己见，依从众议。于是