1949年1月，刘亚楼担任平津前线司令部参谋长兼天津前线总指挥，指挥天津攻坚战役。 对于平津战役的津、塘方向，以毛泽东为首的中共中央军委原计划先攻塘沽，后打天津。后经刘亚楼调查，塘沽东面靠海，其他三面为水渠、盐池，不能对敌形成包围，也不便大部队展开。而且北平、天津国民党军有突围的危险，他建议以少数兵力监视塘沽，集中兵力先打天津。毛泽东批准了这一建议。
国民党傅作义集团的陈长捷率13万人防守天津。陈动用10多万民工环城开挖宽10米、深3米的护城河，每天派人穿河砸冰。有这些防御工事为后盾，陈长捷十分自信，妄图“创造战史的奇迹”。为尽快促成傅作义放下武器，毛泽东和中央军委命令东北野战军3天内攻下天津。天津战役总前委书记林彪限定48小时。刘亚楼表态出人意料：“30个小时内保证把陈长捷吹嘘的‘天津大堡垒’打个稀巴烂！”
依据林、罗首长的意图，经过周密的侦察和思考，刘亚楼在1月4日的高级将领会议上，定下作战方针：“东西对进，拦腰斩断，先南后北，先分割后围歼，先吃肉后啃骨头。”1月13日，兵临天津城下。此前，刘亚楼敦促陈长捷率部放下武器。陈长捷派天津市参议会4名议员出城，声言与解放军和谈。刘亚楼一看即知敌军企图借机探听虚实，拖延时间。他将计就计，故意在城北接见敌人谈判代表，造成我军攻城指挥部设在城北的假象。
陈长捷无意放下武器，谈判无果而终。刘亚楼为加深敌人的错觉，说：“咱们再加加温，从城北放它几炮，让陈长捷坚信我们从城北进攻。”刘亚楼声东击西的计策迷惑了对手。陈长捷把主力一五一师从城中心调往城北，加强了城北的兵力。14日上午10时，刘亚楼下达总攻命令。总攻发起后仅十几分钟，突击部队就打开了突破口，迅速在东西南三面九个地段突破城防，仅29小时，全歼天津13万守敌。陈长捷被俘时如梦初醒，大叹上了刘亚楼的当。天津战役创造了“天津方式”，成为我军历史上最为干净、利落、精确的城市攻坚战。
