抗日战争胜利后，聂荣臻继续任晋察冀军区司令员兼政治委员、中共晋察冀中央局书记。1947年4月，他指挥正太战役，置增援之敌于不顾，集中优势兵力，击敌薄弱环节，歼国民党军3.5万余人，攻克正太路沿线7城及井陉等重要矿区，使晋察冀与晋冀鲁豫解放区连成一片。同年11月又在清风店战役中取得重大胜利。聂荣臻称这一仗是晋察冀军区军事上的“翻身仗”。清风店大捷，使守备石家庄的国民党军更加孤立，当时仅存2.4万余人，且军心不稳，而晋察冀野战军的战斗力空前提高。乘胜夺取石家庄势在必得。1947年10月22日，聂荣臻等军区领导立即向中央军委、中央工委提出:“现石门(即石家庄)仅有三个正规团及一部杂牌军，我拟乘胜夺取石门。军委是否批准此方针，请即复。”
次日，10月23日12时，中央军委复电聂荣臻等批准攻打石门的建议。电文称:“二十二日十二时电悉。清风店大歼灭战胜利对于你区战斗作风之进一步转变有巨大意义。目前如北面敌南下，则歼灭其部，北面敌停顿，则我军应于现地休息十天左右，整顿队势，恢复疲劳，侦察石门，完成打石门之一切准备。然后，不但集中主力九个旅，而且要集中几个地方旅，以攻石门打援兵姿态实行打石门，将重点放在打援上面。”石家庄，位于石德、平汉、正太三条铁路交会处，是华北战略要地。国民党军在原侵华日军构筑的工事基础上，经连年加修，至1947年已构成完备的环形防御体系。
从市郊到市中心，以宽8米、深6米的外市沟和宽深均5米的内市沟及市区主要建筑物为骨干设置了3道防御阵地，共有大小碉堡6000多个。内外市沟间的环形铁路有6辆铁甲车，并配有1个坦克连，可机动作战。市东北有制高点云盘山作依托，西北有军用飞机场便于空中支援。凭借着深沟层层，碉堡林立，国民军得意地扬言:“共军休想拿下石家庄，国军凭着石家庄的工事可以坐打三年!”聂荣臻认为，石家庄虽然设防坚固，但仍有取胜的把握。他说:“我们也知道石家庄是设防城市，可是设防再坚固，也要兵来守，兵不多是不行的。再说即使打不下来，也没有什么危险，四周都是解放区。
何况不论从兵力上、士气上看，打下的可能性很大所以决心打石家庄是对的。鉴于石家庄敌人设防的坚固，聂荣臻要求前线野战军领导认真研究对策避免造成久攻不克的局面。1947年10月，驻守石家庄的国民党军为第3军第32师及2个保安团和附近19个县的保安大队。11月初，保定“绥靖”公署将其独立团和驻保定的第3军炮兵营空运至石家庄，使石家庄守军总兵力增至2.4万余人。守军部队统一由敌第32师师长刘英指挥。根据中央军委的指示，野战军前线委员会于10月25日召开旅以上干部扩大会，具体研究区分作战任务和部署战的准备工作。朱德总司令出席了这次会议。
他提出“勇敢加技术”的号召，并与野战军司令员杨得志、政治委员罗瑞卿、第二政治委员杨成武等研究制定了作战计划，确定以阵地战的进攻战术为主要方法”，采取稳打稳进的方针;以坑道作业接近碉堡，用炸药爆破，辅以炮击，各个摧毁守军工事及内、外沟;继以步兵突击，夺取守军各道阵地攻打石家庄的具体部署是:第3、第4纵队分别由西南和东北方向担任主攻;冀晋、冀中军区部队各一部分别由西北和东南方向助攻;第2纵队、独立第9旅及第3、第9军分区部队配置于定县(今定州)、新乐间构筑防御阵地准备阻击保定方向的援敌;察哈尔(今分属内蒙古和河北)军区独立第4旅出击北平(今北京)至保定铁路沿线，配合主力作战。同时，将清风店战役中俘虏的近千名国民党军官兵经教育后释放回石家庄以瓦解守军士气。晋察冀解放区政府调集民兵、民工近10万人，担架1万多副，大车4000余辆支援作战。
11月5日，聂荣臻与野战军司令员杨得志通了话，指示攻打石家庄要力求速决，但指挥上不要太急，入城后部队坚决执行党的城市政策;要反复向部队讲清楚，战斗会是相当艰苦的。他还嘱咐杨得志和罗瑞卿杨成武、耿飚、潘自力等指挥员注意自己的安，说:“你们习惯于靠前指挥，这我不反对，但是一定要注意安全。7日晨，冀晋军区独立第1、第2旅分向石家庄东北、西北两面出击举攻克大郭村飞机场，歼守军1个营。8日晨，第4纵队连续突击，攻克云盘山，至此全部扫清了外市沟以外守据点。同时，野战军炮兵击中发电厂，断绝了市区及内、外市沟电网的电源。各部队在火力掩护下进行近迫作业，构筑交通壕，直插外市沟前沿。8日下午，炮兵部队实施火力急袭，突击队以坑道爆破和强行突破的方法，向守军外市沟防御阵地发起攻击。第3纵队第7旅首先从西兵营突破，攻克西焦、城角村和农业试验所，歼守军一部，击毁铁甲车1列;第3纵队第8旅突破外市沟阵地后，攻占振头镇、西里村;第4纵队第10旅由云盘山以西突破，攻占义堂村、花园村及八里庄，歼保定“绥靖”公署独立团主力;第4纵队第12旅在北宋附近破，攻占范谈村;冀中军区独立第7、第8旅攻占东三教、槐底村;冀中军独立第1、第2旅包围北焦等据点。
战至9日晨，内、外市沟之间守军阵地，除北焦、苑村、元村彭村等据点外，全部被攻克。攻城部队随即以一部兵力围困、监视上述据点，主力继续向内市沟守军阵地推进。10日16时，攻城部队在强大炮火配合下，向内市沟防御阵地发起攻击。第8旅率先爆破成功，从西面突破，经反复争夺，攻占西南兵营、东里村，歼守军第96团主力。第10旅从东面突破后，连续打退守军第94团在坦克掩护下的7次反扑，巩固了突破口，并迅速向铁路以东市区发展。冀中、冀晋军区部队歼元村、彭村、北焦守军。10日、11日，担任第二梯队的第4纵队第11旅、第3纵队第9旅相继加入战斗。各部队勇猛穿插，分割围歼，经过激烈巷战，歼灭守军大部，并将守军残部压缩于火车站、大石桥和正太饭店一带核心阵地内。12日晨，晋察冀野战军调整部署。第11旅炸毁铁甲列车，并在缴获的坦克、火炮掩护下向守军核心阵地发起冲击，攻占火车站和正太饭店。接着第3纵队主力从西面和南面第4纵队从东面和北面冀晋军区部队从西北面，向守军指挥中心大石桥发起攻击。激战至中午，全歼守军，俘敌第军第32师师长兼石家庄警备司令刘英。随后，冀中军区部队乘胜攻克石家外围孤立据点元氏县城，全歼守军。连续六昼夜的石家庄之战，共歼国民党军2.4万余人，缴获坦克9辆、火炮100余门、枪1万余支、铁甲车5列、机车90台、汽车280辆及大批弹药、物资，拔除了国民党军在华北一个战略要点，使晋察冀和晋冀鲁豫两大解放区连成了一片，平津地区敌人失去了重要的一翼。
石家庄是人民解放军自战略进攻以来攻克的第一个较大城市。对于这场城市攻坚战，聂荣臻曾回忆说:“这一战役之所以取得胜利从指导思想上说，是摘下一颗成熟的果子。果子没有成熟，也就是说，主客观条件都不具备，硬要去摘，结果不但摘不下来，还要吃亏。对石家庄的进攻，就正是时候。充分发动群众出主意想办法，大搞军事民主，并结合以往的作战经验，提出了以土工作业改造地形为接敌的主要手段;以爆破、火力与突击相结合作为突破的主要手段，这些战斗技术的发挥在这次战役中收到了很大的效果，是成功的。”石家庄战役，为尔后进行城市攻坚战提供了宝贵经验。石家庄解放，大大震动了国民党统治集团。蒋不得不承认:“这是我们重要都市第一次的失陷，当然是我们一个重大的损失!”他亲自飞到北平，撤销了孙连仲保定绥靖公署主任的职务，成立华北“剿匪”总司令部，任命傅作义为总司令。傅作义是聂荣的老对手了，直到北平和平解放，他们在华北战区的较量才告一段落。石家庄战役的成功实践，丰富了聂荣臻关于运动战和阵地战的军事思想，他认为要善于掌握时机，适时地把运动和阵地战结合起来，夺取敌人坚固设防的大城市。对敌坚固设防的城市，在四周都是解放区的条件下，只要从实力上和士气上看，打下的可能很大，就应定下攻坚决心。在战法上，可采取围点打援和全力攻坚的办法。如果不打，就会失去战机。在己方拥有绝对优势兵力，对敌完成四面包围使其进退失据的条件下，应实行军事打击与政治瓦解相结合的方针，力求和平解放敌占据的中心城市。正如《聂荣臻生平》中所言:“(聂荣臻)在作战指挥中胸怀全局运筹帷幄，善于捕捉战机，屡建殊勋。
