התוכנית כללה מבצע שכונה מבצע חמץ, על שם חג הפסח שבו תוכנן להתבצע, על בסיס כוח בן שלוש חטיבות. אלכסנדרוני שפעלה בצפון, קרייתי שפעלה באזור תל אביב, וגבעתי שפעלה בדרום. שלוש החטיבות אמורות היו לכבוש את הכפרים הערבים במרחב - סלמה, סיקיה, בית דג'אן, תל א-ריש, יאזור ותל ליטווינסקי (שלאחר עזיבת הבריטים, נכבש חלקו הצפוני על ידי חטיבת אלכסנדרוני ב-15 באפריל, וחלקו הדרומי נמסר מהבריטים לכוחות עיראקים של צבא ההצלה). עוד נועד המבצע לכתר את העיר יפו, ליצור רצף טריטוריאלי יהודי באזור, ולפתוח את הדרך אל שדה התעופה בלוד, שהיה על פי החלטת החלוקה חלק מהמדינה היהודית. ההנחה הייתה כי כיתור העיר יביא לנפילתה, לאחר עזיבת כוחות הבריטים, וזאת מבלי שהדבר יצריך מתקפה שהייתה כרוכה במאמץ ובקורבנות.
כיבוש שכונת מנשייה על ידי האצ"ל.
אחרי ש"ההגנה" כבשה את טבריה ואת חיפה באמצע אפריל, רצה האצ"ל לרשום גם לזכותו כיבוש עיר ערבית. יפו, שממנה נורו יריות על תל אביב הסמוכה, נבחרה כיעד, ולשם כיבושה גויסו כמעט כל משאבי הארגון באזור שפלת החוף. בהחלטה על היציאה לכיבוש יפו, האצ"ל פעל, בניגוד לתוכניות "ההגנה" ובנפרד מהלח"י שרצה להצטרף למבצע, אך נדחה.
ב-25 באפריל יצאו יחידות האצ"ל, שכללו כ-600 לוחמים, ממחנה הארגון ברמת גן להתקפה על יפו הערבית. הקרבות מול הקבוצות הערביות החמושות היו קשים, ובהמשך הארגון נתקל בהתנגדות עזה גם מצד הבריטים, שהפעילו נגדו משוריינים ואף כוח אווירי. הייתה זו הפעם הראשונה שבה הארגון נלחם ישירות מול כוחות צבא בריטיים. תחת פיקודו של עמיחי פאגלין "גידי", קצין המבצעים של הארגון, האצ"ל כבש לאחר קרב קשה את שכונת מנשייה שאיימה על תל אביב, התקדם עד לאזור הים ולכיוון הנמל, ובו בזמן הפגיז באש מרגמות את השכונות מדרום. פעולות אלה גרמו למנוסת תושבים ערביים מן העיר, ובמהלכן נהרגו כ-30 אנשי אצ"ל, רובם מאש הבריטים.
הבריטים תבעו את פינוי מנשייה הכבושה, אולם בעקבות הסכם עם "ההגנה", שבו הובטח כי לא תהיה נסיגה מיפו בלחץ הבריטים, העביר האצ"ל ל"הגנה" את החסות על מנשייה אותה כבש. בכך הסתיימה המתקפה העצמאית של האצ"ל על יפו. אף על פי שבמתקפה זו האצ"ל נכשל בכיבוש העיר כולה, והסתפק בכיבוש שכונת מנשייה, פעולתו האיצה משמעותית את בריחת התושבים הערבים מיפו, ותרמה רבות להתמוטטות העיר.
מבצע חמץ ונפילת יפו.
בליל 27 באפריל נפתח מבצע חמץ, בתנועת שלוש החטיבות. לפי התוכנית, נעו חטיבת אלכסנדרוני וחטיבת גבעתי בתנועת מלקחיים וכתרו את יפו. אלכסנדרוני השלימה את כיבוש תל ליטווינסקי, והכפרים חיריה וסאקיה, אך גדוד 52 של גבעתי נסוג מפני התקפת נגד של גדוד מצבא ההצלה על תל א-ריש ב-28 באפריל, באבידות כבדות, שהגיעו לכדי 37 הרוגים ונעדרים וכ-100 פצועים, על אף השימוש במרגמת הדווידקה, ותל א-ריש נותר בידי הערבים עד לכניעתה של יפו. בלילה שלאחר מכן, כבשו כוחות קרייתי ואלכסנדרוני את היעדים החשובים סלמה ויאזור. מטרות המבצע הושגו ברובן. יפו כותרה, והאיום על התחבורה היהודית הוסר ברובו.
ביפו עצמה החלה בריחה המונית דרך הים. במשך כשבועיים נוספים נמשכה הלחימה, אך למעשה הקרב כבר הוכרע. ב-30 באפריל נמלט מפקד "צבא ההצלה" בעיר דרך הים. רוב מוחלט של תושבי העיר הערבים נמלטו ממנה וב-13 במאי חתמו מנהיגיה על הסכם כניעה. רוב תושבי העיר נמלטו דרך הנמל והפליגו בעיקר לביירות ולעזה. מאוכלוסייה של כ-70,000 אלף ערבים לפני המלחמה נשארו בעיר כ-4,000 ערבים בלבד, בעיקר מקרב דלי האמצעים.
הכרזת העצמאות והפלישה הערבית.
במאי 1948 עזב הצבא הבריטי את הארץ, והמנדט הבריטי על ארץ ישראל עמד בפני סיום. נראה היה כי פלישת צבאות ערב אל הארץ עומדת בפתח. לאחר הצבעה במנהלת העם, הוחלט להכריז על הקמת מדינה יהודית, היא מדינת ישראל. ההכרזה התקיימה ב-15 במאי 1948 בישיבת מועצת העם באולם מוזיאון תל אביב, ששכן באותה עת בבית דיזנגוף בשדרות רוטשילד. יושב ראש המועצה, דוד בן-גוריון, שהיה אז יו"ר הנהלת הסוכנות היהודית, קרא את נוסח ההכרזה - מגילת העצמאות. בתום ההכרזה חתמו חברי המועצה על מגילת העצמאות. דוד בן-גוריון היה ראשון החותמים, והתמנה לאחר מכן לראש הממשלה ושר הביטחון בממשלה הזמנית של המדינה החדשה. ההכרזה הביאה לשלב חדש במלחמה - פלישת מדינות ערב לשטח מדינת ישראל.
עוד ב-14 במאי החלה פלישת הצבא המצרי. הצבא התקדם בשני טורים. האחד לכיוון באר שבע, והשני בדרך החוף, צפונה מכיוון אל עריש. יש הסבורים כי מטרת המתקפה הייתה מתקפת רתק והסחה, שנועדה להביא לריכוז כוחות צה"ל באזור תל אביב על מנת לאפשר את כיבוש חיפה וצינור הנפט. לעומתם יש הסוברים כי מטרת הטור, שנע בדרך החוף, הייתה כיבוש תל אביב. הטור נעצר לאחר קרב הגנה קשה במרחק של 32 קילומטרים בלבד מתל אביב, במקום שנקרא בעקבות תוצאת הקרב גשר עד הלום. כאמור, אין לדעת אם מטרתו של המפקד המצרי הייתה כיבוש תל אביב, או לחבור אל הלגיון הערבי באזור לטרון או לכוחות ברמלה. מכל מקום, עצירת הטור המצרי בגשר עד הלום ב-3 ביוני 1948 הסירה את האיום האחרון למתקפה יבשתית על תל אביב.
המתקפות מהאוויר ומהים.
הקרבות באוויר.
תל אביב הייתה בין היישובים הראשונים שהותקפו מן האוויר, במהלך התקפת חיל האוויר המצרי על מדינת ישראל. ההפצצות על תל אביב נחלקו לשתי תקופות - הראשונה מתום המנדט הבריטי וההכרזה על הקמת מדינת ישראל ועד ההפוגה הראשונה, והשנייה במהלך קרבות עשרת הימים. סה"כ גרמו ההפצצות למותם של 150 איש ויותר, כ-130 מתוכם היו אזרחים (מתוך 180 אזרחים שנהרגו בעיר במלחמת העצמאות) והיתר חיילים. 33 מההרוגים האזרחיים היו בני פחות מ-18. כמאה נרגו בתקופת ההפצצות הראשונה וכ-50 נהרגו בתקופתה ההפצצות השנייה.
ב-15 במאי 1948, ביום שלאחר הכרזת העצמאות, התקיפו מספר רב של מטוסי ספיטפייר מצריים, במספר גיחות שהחלו בשעות הבוקר המוקדמות, את שדה התעופה בשדה דב. בהתקפה נהרגו חמישה אנשים ונפצעו תשעה, ועל אף שאחד המטוסים המצרים נפגע מאש נ"מ של צה"ל, נגרם לשדה, ולמטוסי חיל האוויר שחנו בו, נזק רב.
לאחר המתקפה התמקם מטה חיל האוויר, בראשות מפקד החיל החדש, ישראל עמיר, בבית המלון "ירקון" בתל אביב. בימים אלו עבר החיל תהליך מהיר של הצטיידות במטוסי קרב חדשים מסוג מסרשמידט 109 ובמטוסי C-46 קומנדו, וכן הצטרפו אליו מספר רב של מתנדבי חוץ לארץ בעלי ניסיון בתעופה. אך בשבועות הראשונים ללחימה פעל האויב בשמי הארץ כמעט באין מפריע.
המתקפה הקטלנית ביותר שניחתה על העיר מהאוויר התחוללה ב-18 במאי, עת מטוסי חיל האוויר המצרי הפציצו את התחנה המרכזית הישנה של תל אביב, וגרמו ל-42 הרוגים.
המפנה חל ב-3 ביוני עת תקפו שני מטוסי דקוטה מצריים את תל אביב בפצצות. המטוסים הופלו על ידי מטוסי מסרשמידט של חיל האוויר בפיקודו של מודי אלון. הייתה זו המתקפה האווירית האחרונה של הצבא המצרי על תל אביב במלחמת העצמאות.
הקרבות בים.
ב-4 ביוני 1948 קרב לחופי תל אביב כוח ימי מצרי בן שלוש ספינות, ספינה נושאת גייסות "אמירה פאוזיה", ושתי ספינות מלחמה. אל המקום הגיעו שתי ספינות תותחים ישראליות, "חנה סנש" ו"אילת" והתעמתו עם הספינות המצריות. הראשונים לפתוח באש היו המצרים שתחילה החטיאו, אך שני פגזים פגעו ב"אילת" והסבו לה נזקים קלים. תגובת האש של "אילת" הייתה לא יעילה ופגזיה לא עברו שליש הטווח ליעדם. חיל האוויר תקף את הספינות המצריות במטוסים הזמינים באותה העת, שלושה מטוסים קלים מסוג "דה הבילנד דראגון ראפיד", בוננזה ופיירצ'יילד ארגוס. המטוסים פעלו ללא מתקנים להטלת פצצות, ואל מול אש נ"מ חזקה. אחת הפצצות פגעה באחת הספינות, דבר שהביא את הכוח הימי המצרי לסגת לכיוון עזה. מטוסי חיל האוויר המשיכו לרדוף אחר הספינות, ובמרדף נפגע מטוס הפיירצ'יילד והתרסק לתוך הים, כאשר שני אנשי צוותו נעלמו.
לאחר אירועים אלו, והקרב האווירי בשמי תל אביב ב-3 ביוני, בהם הוכיח חיל האוויר את יכולתו להגן על שמי תל אביב ועל חופיה, נהנתה תל אביב מהפוגה מתקיפות ימיות מצריות. במהלך מבצע חורב, ב-1 בינואר 1949 הגיעו אוניות מצריות לחופי תל אביב, והחלו בהפגזת העיר. הפגזים התפוצצו בים מבלי לגרום נזק, ולאחר כעשר דקות שבו האוניות כלאחר שבאו. ניסיון של אוניות חיל הים לרדוף אחר הספינות התוקפות כשל.
אלטלנה.
פרשה עגומה שהתרחשה בתל אביב ביוני 1948, היא פרשת אניית הנשק "אלטלנה", שהביאה לחילופי אש בין אנשי צה"ל ובין אנשי האצ"ל. "אלטלנה" הייתה ספינה אותה ארגנו אנשי האצ"ל בצרפת, ועל סיפונה נשלחו כ-900 עולים שנועדו לגיוס ליחידות אצ"ל, וכן נשק ותחמושת רבים שנרכשו במהלך 1948. האצ"ל הודיע על הצטרפותו לצה"ל ועל הימנעות מפעולות רכש עצמאיות, אך עם הגיע הספינה לחופי הארץ דרשו אנשיו כי הנשק שעל סיפונה יועבר ליחידות האצ"ל בצה"ל. לכך בן-גוריון לא הסכים, והוא עמד על כך שהנשק יופקד ישירות בידי צה"ל.