Den inledande attacken ska enligt Abiy Ahmed resulterat i "många martyrer, skadade personer och stora skador". Ahmed hävdar att Tigrays styrande parti TPLF försökte att stjäla vapen och annan utrustning från de stationerade styrkorna.
Ett sex månader långt undantagstillstånd har utlysts i regionen. Även internet och flygtrafik ska ha stängts ner.
Enligt premiärministern tvingade onsdagens attack de federala styrkorna till konfrontation. Han menar att målet är att motverka instabilitet i både landet och regionen.
Analytiker och diplomater har tidigare varnat för att spänningen mellan den federala regeringen och Tigrays styrande parti TPLF kan övergå till våld.
TPLF har under de senaste dagarna sagt att de inte haft planer att inleda en militär konflikt.
– Vi kommer aldrig vara de första som skjuter eller de första som blinkar, sade Getachew Reda, TPLF-medlem i förra veckan.
I september hölls regionala val Tigray, i strid med den federala regeringen som kallade omröstningen olaglig. I måndags anklagade Tigrayregionens ledare, Debrestion Gebremichael, regeringen för att planera attacker i regionen som ett straff för septembervalet.
Bråket mellan den federala regeringen och TPLF har trappats upp under senare tid och båda sidor har anklagat varandra för att planera militära attacker.