8月9～10日,第4纵队等部由绛县、曲沃地区隐蔽北上。14日，突然对洪洞、赵城发起攻击。16日攻克洪洞，全歼守军1000余人。17日克赵城，全歼守军3000余人。尔后乘胜挥师北上，24日攻克霍县，28日和29日解放灵石、汾西县城，9月1日进占富家滩。战役历时19天,克县城5座，歼国民党军阎锡山部1万余人,控制同蒲铁路南段 130余公里，切断了胡宗南部与阎锡山部的联繫

1946年7月1日至15日，陈赓率晋冀鲁豫野战军第4纵队及太岳军区部队在晋南开展闻喜战役期间，贺龙指挥晋绥军区部队在晋北展开攻势，相继攻克宁武、繁峙、代县、崞县、五台、阳明堡、原平、忻口等城镇，歼敌3000余人。国军第2战区司令长官阎锡山为应对中共对晋北的攻势，陆续将驻守晋南的部队北调，将晋南大部防御任务交给胡宗南部。由于国军在同蒲路灵石至洪洞段兵力薄弱，毛泽东8月6日-10日两次电令晋冀鲁豫野战军第4纵队和太岳军区部队：“乘虚逐个夺取同蒲路上的洪(洞)、赵(城)、霍(县电令晋冀鲁豫野战军)、灵(石)诸城，截断胡宗南与阎锡山两集团的联繫，尔后各个歼灭”。

国军阎锡山部陆续北调后，灵石至洪洞段国军兵力薄弱，各部分布情况是：第61军军部率第66师守临汾，地方团队千余人防洪洞，第39师大部及地方团队共3000余人守备赵城，第69师等部2000余人守备霍县，保全第16团1000余人守备灵石，第34军守备平遥、介体及其以北点线。胡宗南部因遭陈赓闻喜一役的打击，各部收缩于闻喜、安邑地区进行防御姿态。

陈赓接获毛泽东的电令后，决定北上同蒲路作战。其部署是：以第10旅攻赵城，第11旅攻洪洞，得手后，北上霍县、灵石；以第24旅包围霍县守军，而后协同第10、第11旅将其歼灭；第13旅位于闻喜、绿县地区，牵制胡宗南部；太岳军区部队分别牵制临汾和平遥、介休地区的阎锡山部。

8月10日，陈赓率晋冀鲁豫野战军第4纵队主力由闻喜秘密北上。于8月14日突然发起同蒲战役，攻击驻守洪洞地区的国军。国军放弃外围据点退守城区进行抵抗。16日晚，解放军第11旅部队攻克洪洞城，全歼守军。与此同时，解放军第10旅攻打赵城，于17日攻破赵成，赵城守军试图突围西撤，但终被解放军全歼。

8月19日，毛泽东获悉陈赓部攻克洪洞和赵城后，极为高兴，立即致电祝贺，并要求陈赓乘势占领霍县、灵石，创造战机，待胡宗南北进后，各个击破歼灭之。陈赓得令后，立即命令晋冀鲁豫野战军第11旅兼程北上。8月21日，第11旅在第24旅的协同下，攻克霍县，歼灭守军大部。此时，灵石的阎军弃城撤退，第11旅以一部占领灵石，以一部西渡汾河，追击撤退的国军，歼灭一个营。9 月1 日，解放军又攻克富家滩煤矿及车站，至此，同蒲战役结束。

同蒲战役历时半个月，中共晋冀鲁豫野战军第四纵队和太岳军区部队连克、洪洞、赵城、霍县、灵石、汾西、等地，歼敌1.5万余人，控制铁路线130公里。重创了国民革命军阎锡山部，切断了同蒲铁路交通，粉碎了国军南北合击陈赓部，打通同蒲路的企图，为中共晋冀鲁豫野战军对北进的国军胡宗南部作战创造了有利态势。