1949年5月20日，西安在彭總率領的一野大軍兵臨城下的強大威懾下，獲得和平解放。但是，國民黨胡宗南集團和二馬(馬步芳、馬鴻逵)集團不甘心失敗的命運，他們在蔣介石的密令下，企圖乘我十八、十九兵團尚未入陝、西安地區防備兵力薄弱的機會，分四路兵馬，反撲西安，奪回他們的反共老巢。西安地區一時情況十分危急。
此時，馬勇正奉命率部擔任全軍前衛團，由榆次出發向西北進軍。當部隊行至絳縣時，突然接到一野彭總電：“西北情況緊急，胡、馬糾集17萬之眾，企圖反撲西安，限你們立即趕到風陵渡口。”接令後，馬勇立即下達強行軍令，要求三天走完幾百里路程，按時趕到指定地點。此時正值炎夏，又下暴雨，道路泥濘，但部隊士氣高昂，每天急行軍百里以上，準時趕到渡口。按時到達指定地點後，又奉命過黃河，乘火車到達西安，擔負起保衛古都西安的重任。
為徹底解除胡(宗南)、馬(步芳、鴻達)集團對西安市的威脅，並為最後消滅胡、馬集團創造有利條件，一野前委遵照中央軍委和毛澤東主席“鉗馬打胡，先胡後馬”的指示，於7月6日召開第七次擴大會議。會上，根據胡宗南集團在陝西扶眉地區兵力較集中，秦嶺以南沒有戰略預備隊北援，二馬集團因胡馬矛盾可能不來援胡等因素，決定發動扶眉戰役。
馬勇所在部隊的具體任務是拔除胡宗南集團盤踞頑抗的軍事要地——西安城南小五台高地。小五台是西安城南的遊覽勝地，五座山峰聳立，古木參天，荊棘遍野，地勢十分險要，山腰、山頂、隘口均有抗日時期胡宗南修築的“國防工事”。敵軍一個師盤踞在此，企圖憑藉天險與我軍對抗。馬勇團的具體任務是攻占敵陣左側的老原嶺陣地，斷敵退路。針對老原嶺山勢險要、敵軍重兵把守(敵三十四團在此守衛)的情況，馬勇經過反覆偵察地形，決定採取智取的作戰方針。7月10日夜，馬勇率部繞開敵人正面火力點，在嚮導的帶領下，時而攀登七八十度的懸崖陡壁，時而穿行草密林深的羊腸小道，從左側插入敵軍腹地，將酣睡之敵一連人全部活捉，占領了敵陣一側。次日拂曉，敵人多次進行反撲，均被打退。敵人惱羞成怒，把軍官組成“敢死隊”，不惜血本，孤注一擲，向我陣地反撲。馬勇身先士卒，率部與敵人拼刺刀，經過一場肉搏之戰，敵人以40餘具屍體為代價潰退山下。傍晚，全團發起總攻，將敵三十四團全部消滅，占領了老原嶺。戰後，在常寧宮(蔣介石避暑之地)六十一軍軍部，軍首長表彰了他們“智取老原嶺，用刺刀拼下敢死隊”的英勇行為。
攻占老原嶺為扶眉戰役的最後勝利做出了貢獻。扶眉戰役的勝利，不僅使退居漢中的胡宗南集團失去了北線屏障，從此一蹶不振，而且徹底粉碎了胡馬反共聯盟體系，同時使我軍在西北戰場的兵力成為絕對優勢，為以後殲滅二馬集團，解放西北打下了堅實的基礎。
同年12月，中央軍委命令十八兵團由陝入川，配合其他部隊，徹底消滅胡宗南集團，解放全四川。馬勇率領全團擔任全軍後衛，開始了向西南進軍的征程。他們在隆冬嚴寒、風雪交加的惡劣條件下，徒步26天，日行百里，翻秦嶺，過大巴山，征服了自古難以逾越的“蜀道”，順利進入四川。當部隊行至成巴公路時，馬勇接到師部電令：“一八一師在潘龍鎮揪住敵主力，必須不顧疲勞，兼程前進，參加戰鬥。”此時馬勇團距潘龍鎮尚有240餘里的路程，馬勇率部立即強行軍，一天半強行240餘里，在江北火烽山山坳內圍住敵人一個團。幾聲槍響，已成驚弓之鳥的千餘敵人全部被生擒。
四川解放後，馬勇率部駐守川北江油、平武一帶，開展協助地方建立政權、征糧、剿匪肅特等工作。1950年5月，馬勇調任川北軍區擔任作戰處長。剛剛到任，上級的一紙調令使馬勇的軍事生涯發生了重大的轉折。
隨著新中國的成立，中國人民解放軍一個嶄新的軍種——空軍的組建也在緊張的籌備中。1949年10月，在黨中央毛主席的直接領導下，空軍正式成立。隨後，組建航校和培訓飛行學員的工作陸續展開。但不久，一個急迫的問題便擺到空司領導的面前：建軍之初，雖然陸續從陸軍部隊選調了一批連排幹部學習飛行，並很快掌握了飛行技術，但飛行部隊缺乏中高級指揮員，難以形成堅強的戰鬥力。在1950年6月召開的中共七屆三中全會上，劉亞樓司令員當面向毛主席建議：選調100名左右年輕力壯、文化較高、素質好的營團師級幹部學飛行，以作未來的空軍中高級飛行指揮人員。毛主席十分重視這一建議，在三中全會講話中即席向各大軍區、各野戰軍領導作了指示，要求“以最快的速度”落實。於是，經過上級領導的多方考察，時年28歲的馬勇被列入選調空軍的名單。7月，馬勇離開了征戰多年的野戰部隊，奉命北上錦州，進入空軍第三航校第一期飛行科學習飛行。儘管留戀征戰多年的野戰部隊，但為了新中國空軍的建設和發展，馬勇還是堅決服從了上級的命令。
在錦州空軍第三航校里，馬勇在教官和蘇聯顧問的指導下，虛心好學，苦心鑽研，很快掌握了飛行技術，被評為航校優等生，榮獲空司頒布的模範獎狀。
1951年1月，馬勇提前從航校畢業，被空司任命為空軍航空兵第五師師長。空五師是空軍最早建立的五支航空兵師之一，配備蘇制伊爾10強擊機，駐防遼寧開原，擔負著東北邊境的防衛和抗美援朝的機動部隊和任務。馬勇到任後，針對這支年輕飛行部隊的裝備特點和作戰任務，重點抓了戰鬥訓練和行政管理，迅速提高了部隊的軍事素質，成為年輕空軍的主力部隊。1951年10月1日，馬勇率部駕機飛赴北京參加了國慶檢閱，向黨中央和全國人民展示了我空軍部隊的雄姿。檢閱後，馬勇在中南海受到毛主席、朱總司令等黨和國家領導人的接見與宴請。
1952年8月31日，為了再次參加國慶大典檢閱，馬勇率部隊由開原飛赴北京。在從唐山至北京的轉場飛行中，因當時氣候極端惡劣，密雲和濃霧遮蓋了全部視野，加上空軍處於初創時期，地面指揮、複雜氣象條件下的飛行經驗均不足，在飛至玉田縣上空時，因採用超低空飛行，飛機不幸觸地失事，馬勇壯烈犧牲，終年僅30歲。
馬勇的犧牲，是空軍組建以來損失的第一位高級飛行指揮員，為年輕空軍的成長壯大和現代化建設付出了血的代價。馬勇犧牲後，空軍司令部和政治部授予他烈士稱號。劉亞樓司令員等空軍將士為他舉行了隆重的追悼大會。他的遺體安葬在北京八寶山革命烈士公墓。
馬勇烈士的墓碑肅立在八寶山革命烈士公墓的蒼松翠柏之中，中國人民解放軍空軍司令部和政治部撰寫的碑文對馬勇烈士的一生做出了高度評價：“馬勇同志在長期艱苦的革命鬥爭中，一貫剛毅、頑強，對革命事業忠心耿耿，始終如一，為祖國、為人民立下不朽功績。”
