Det uppenbara genombrottet kom bland nya amerikanska flyganfall mot Islamiska statens (IS) positioner. Femton IS-kämpar sägs ha tillfångatagits.
Storbritannien, Frankrike och Australien gick med i USA och lade ned det humanitära biståndet.
Omkring 15 000 minoriteter shia turkmener i Amerli har varit omgivna av islamiska statliga militanter i två månader.
Militära källor berättade för BBC: s Jim Muir, som är några kilometer från Amerli, att den irakiska armén och frivillig milis in i staden på söndagen och hade brutit belägringen.
Men Amerli förblir farligt på grund av vägbomber som lämnats kvar av IS-aktivister, säger vår korrespondent.
Ingen här verkar tvivla på att kombinationen av styrkor som stöds av irakiska regeringars flygmakt faktiskt har brutit belägringen.
Det firas mycket här, inklusive skottlossning. Vi kan inte gå in i staden ännu eftersom islamisterna har lämnat massor av fällor och bomber.
Situationen inombords sägs vara hemsk eftersom Amerli har blivit avskuren i två månader.
Men vad vi har hört från de senaste siffrorna är att antalet civila där är mycket mindre än vad man trott. Vi fick veta 15-16.000, men nu kanske 2.500 kvar. Många av dem är nu krigare, som har tagit till vapen.
Så det kanske inte finns så många desperat behövande människor som man först trodde.
Den amerikanska militären bekräftade att den hade genomfört ytterligare två flyganfall på söndag. En var nära Mosuldammen och hade förstört ett IS-vapen. Den andra var nära Amerli, där en IS-tank skadades.
Strejkerna ledde till att det totala antalet US Central Command över hela Irak uppgick till 120.
Tidigare meddelade Australiens premiärminister Tony Abbott att hans regering skulle ansluta sig till andra västländer för att beväpna kurderna - sända raketdrivna granater, granater och gevärs ammunition.
"Ingen av oss vill engagera sig i ett annat krig i Mellanöstern, men det är viktigt att göra vad som rimligen kan göras för att avvärja potentiellt folkmord", sade Abbott.
Operationen för att nå Amerli inleddes på lördagen när en allians mellan Iraks regeringsstyrkor, shiamilisen och kurdiska Peshmerga började en tvåfrontsattack mot IS-positioner.
Amerikanska och irakiska flygplan gav flyg över natten.
Rapporter beskrev det som den största militära operationen sedan IS började göra stora framsteg i Irak i juni.
"Säkerhetsstyrkor och miliskämpar är inne i Amerli nu efter att ha brutit belägringen och som definitivt kommer att lindra lidandet för invånarna," Adel al-Bayati, borgmästare i Amerli, berättade Reuters.
En invånare i Amerli, Amir Ismael, sade till Reuters per telefon: " Jag kan se stridsvagnarna i den irakiska armén som patrullerar Amerlis gata nu. Jag är mycket glad att vi gjorde oss av med de islamiska statsterrorister som hotade att slakta oss."
FN hade uttryckt farhågor för att det skulle kunna bli en massaker om IS tog staden, som ligger i kurdkontrollerat Irak.
IS har anklagats för grymheter i områden i Irak och Syrien som står under dess kontroll.
jihadisterna ser shia turkmenerna i Amerli som avfällingar.
Islamic State har beslagtagit stora delar av territoriet i Irak och Syrien under de senaste månaderna, inklusive Iraks andra stad, Mosul.
I sin trohet till sin ledare, Abu Bakr al-Baghdadi, har jihadisterna infört en hård form av islamiskt styre i områden under deras kontroll.
Gruppen har förklarat en ny kalifat, eller islamisk stat styrd av en religiös ledare, och Abu Bakr al-Baghdadi har tillkännagett sig själv som kalif.
IS-ideologin har lockat till sig blivande jihadister från ett antal västländer, däribland Storbritannien, och har spridit sitt budskap aggressivt på sociala medier, ofta med hemska bilder av halshuggningar och massmord.
Gruppen svarade på USA:s första flyganfall mot det genom att döda den amerikanska journalisten James Foley.
Irakiska styrkor har nått den belägrade staden Amerli i norra Irak, där tusentals har fångats av jihadister, säger militära tjänstemän.