要說苦，彭德懷的西北野戰軍最苦。
西北野戰軍的稱謂來自一九四七年七月三十日周恩來的一封電報：「西北野戰兵團定名為西北人民解放軍野戰軍，彭為司令兼政委。」西北野戰軍副司令員張宗遜，副政治委員習仲勳，參謀長張文舟，政治部主任徐立清。
西北野戰軍下轄三個縱隊以及兩個旅和一個山炮營：第一縱隊，司令員張宗遜、政治委員廖漢生，轄獨立第一旅、三五八旅；第二縱隊，司令員兼政治委員王震，轄獨立第四旅、三五九旅；第三縱隊，司令員許光達、政治委員孫志遠，轄獨立第二、第三、第五旅。另外的兩個旅是：新編第四旅，旅長張賢約、政治委員黃振棠；教導旅，旅長兼政治委員羅元發。西北野戰軍總兵力約四萬五千人。
陳毅過去曾有個疑問，為什麼中央在一九四七年夏秋間的來電中常常表揚西北野戰軍？「好像中央對華野領導頗有不滿，特意抬高西北壓華東似的」。但是，一九四八年一月，當陳毅輾轉到達陝北楊家溝之後，才明白「西北野戰軍是作戰條件最苦的一個野戰軍」。
麥面有一年多沒有吃到了，小米也很難吃到，主要是吃黑豆，過去是餵馬的馬料，有時還要吃野菜吃糠……他們每打一仗每門山炮只准打五發炮彈，迫擊炮每門只能配五到十五發炮彈〔華東每門山炮過去三百發炮彈，每門迫擊炮二百發，外線出擊後炮彈少了。山炮每門一百五十發，迫擊炮一百發，就感覺不能打仗了〕，他們聽了我的報告，說你們這樣大的家務，給我們可以打一年……
西北野戰軍以數萬兵力對付胡宗南的幾十萬大軍，所承受的軍事壓力可想而知。但是，為了配合陳謝、陳粟和劉鄧三路大軍出擊外線作戰，彭德懷還是決心不顧壓力把胡宗南的部隊盡可能牽制在陝北。
彭德懷選擇的作戰目標是向北攻擊榆林。
榆林地處陝西、山西和綏遠三省交界地，自明代起就是著名的邊塞重鎮——「榆林府，習弓馬，好戰鬥。兵民參半，以餉為命。」自古即為兵城的榆林，北倚長城，三面環山，多為沙丘。無定河、榆林河繞城沖積出開闊地，土壤肥沃，物產豐富，商旅繁華。城垣為磚石結構，城南的凌霄塔高地可以俯瞰全城，並控制一個小飛機場。
自內戰爆發以來，榆林一直是國民黨軍包圍和進攻共產黨陝甘寧邊區的重要據點。榆林一旦失守，「不僅晉、綏、陝邊區之匪可連成一氣，且將予匪囊括河套，直接溝通俄、蒙國際通路之利，於是榆林成為匪我必爭之要點」。
至少在彭德懷準備攻擊榆林之際，榆林國民黨守軍的作戰心態正處在複雜微妙的時候。
民國初期，榆林是陝北鎮守使井岳秀的地盤，井岳秀後任陝北國民軍總司令，鎮守榆林二十多年。一九三六年，井岳秀因手槍落地走火身亡。抗日戰爭爆發後，井岳秀的陝軍被蔣介石收編，國民黨軍事委員會把駐紮在蘭州的鄧寶珊的新編第一軍、駐紮在岷縣的魯大昌的一六五師、駐守榆林的高雙成的八十六師（井岳秀部）等部隊合編成第二十一軍團，任命鄧寶珊為軍團長率部進駐榆林。鄧寶珊在榆林經營十年，聯絡地方，擴展部隊，連年加固城防工事，建立起穩固的社會和軍事根基。但是，鄧寶珊不但不是蔣介石和胡宗南的嫡系，而且在他統領陝軍的歷史上還曾與共產黨人過從甚密。內戰爆發後，蔣介石在榆林設立了「晉陝綏邊區總司令部」，鄧寶珊出任總司令。為了確保包圍共產黨首府的包圍圈不出現軍事或政治缺口，蔣介石和胡宗南都認為，有必要向榆林派駐嫡系部隊。胡宗南瞭解到，他的心腹將領整編第一軍軍長董釗與當年井岳秀的部下現任第二十二軍軍長左世允是同鄉，於是派董釗到榆林任晉陝綏邊區總司令部副司令官。左世允軍長外迎內拒，董釗在榆林待了半年，除了視察過一次部隊和在城郊主持修築了一些防禦工事外，無事可做，最後只好返回西安。一九四六年十一月，國民黨軍已準備進攻延安，胡宗南奉蔣介石之命，擬將整編三十六師二十八旅派駐榆林，除加強防務之外，最要緊的是監視榆林守軍。這一次，胡宗南為讓榆林方面接納這支嫡系部隊，特地將一個名叫徐保的團長提升為二十八旅少將旅長，因為他瞭解到徐保的父輩與鄧寶珊有交情。國民黨軍空軍動用了二十多架C-46型和C-47型運輸機，將二十八旅官兵空運至榆林。
此時，鄧寶珊指揮的部隊約一萬五千餘人。
彭德懷的攻擊計劃為：二縱、新編第四旅和教導旅攻擊魚河堡、歸德堡和三岔灣等地，然後包圍榆林城的西面、北面和東南；一縱並指揮綏德軍分區四團和六團攻擊響水堡，掩護二縱渡過無定河之後包圍榆林城的南面和西南；三縱和獨立第五旅攻擊流泉河和青雲山，獨立第二旅攻擊高家堡和喬岔灣，上述部隊包圍榆林城東。彭德懷攻擊榆林的兵力達八個旅又兩個團，總計約四萬五千人，幾乎是西北野戰軍的全部兵力，同時也是榆林國民黨守軍的三倍。
鄧寶珊想不到共產黨軍隊會攻擊他，他認為自己是共產黨人的朋友。
鄧寶珊，甘肅秦州直隸州（天水）人，十三歲父母先後辭世，十六歲即到伊犁從軍。一九一年成為同盟會員參加了辛亥革命，後參與國民軍西北軍的組建，直奉戰爭中已升任師長。一九二四年，李大釗領導的中國共產黨北方組織開始在國民軍中活動，鄧寶珊自此受到共產黨政治主張的影響。第一次國共合作時期，他與共產黨人鄧小平、李子洲都有來往，與後任紅五軍團政治部主任的劉伯堅更是有著深厚的友情。一九三二年，鄧寶珊出任西安綏靖公署駐甘行署主任，面對省內武裝林立、民生凋敝的景象，他決計整編軍隊，不擴一兵，專心生息，安撫百姓。由於軍政成就顯著，國民黨元老於右任、邵力子等人鼎立推薦他出任甘肅省府主席，但因蔣介石對他猜疑很深未果，他被任命為陸軍新編第一軍軍長，而第一軍的兵力只有兩個旅。「西安事變」後，國共抗日聯合統一戰線建立，他派兵駐守魚河堡並叮囑：「維護陝甘寧邊區到榆林這一段公路的交通安全，保護來往車輛和人員順利出入。」在整個抗日戰爭中，鄧寶珊的部隊一直與共產黨人的陝甘寧邊區保持著和睦相處的關係，他本人還多次到延安與毛澤東、朱德等中共領導人晤談。一九四三年十一月，鄧寶珊從西安返回榆林途中來到延安，因偶感風寒在延安停留半個月，毛澤東給他送去了十張狐皮讓他做件大衣。鄧寶珊走後，十二月，毛澤東又給他去信，信中說：「去年時局轉換先生盡了大力，我們不會忘記……八年抗戰，先生支撐北線，保護邊區，為德之大，更不敢忘。」
八月二日，鄧寶珊接到了彭德懷部主力正向榆林挺進的情報。他笑著對同僚們說：「共產黨對榆林還用得著這樣大的兵力？他們真的要進榆林也不一定要使用武力嘛。」鄧寶珊確信彭德懷部不會攻擊榆林，如果真的要進攻，至少事先也會和他打個招呼。但是，情報連續到達，而他並沒有接到共產黨方面的任何解釋。鄧寶珊有一種嚴重的不安——他不願意和共產黨打仗，但又不能不備戰了。
五日，西北野戰軍逼近榆林。
鄧寶珊召集了軍事會議，會議決定放棄外圍據點，集中兵力固守榆林城。具體作戰部署是：二十八旅八十三團守南城，八十二團守南門外的凌霄塔和三義廟據點；總部特務營一部和第二十二軍的工兵營、輜重營和補充營守西城；八十六師炮兵營、工兵連和軍通訊營守北城，二五七團和八十六師直屬隊守東城。
晚上九點，突然下雨，雨越下越大，徹夜未停。
大雨中一個消息傳來：奉命從三岔灣緊急調回榆林的新編十一旅一團和二團以及防守高家堡的二五六團遭到猛烈攻擊，損失巨大，一團團長王永清和二團團長周效武均受傷被俘。
七日凌晨，榆林已被包圍。
蔣介石飛到了延安。
國民黨軍的最高統帥以佔領者的姿態進入共產黨人的「巢穴」，這一事件在國民黨方面看來極具象徵意義。於是，接到蔣介石來延安的指令後，胡宗南立即忙碌起來。飛機在西安與延安之間往來多次，洋瓷臉盆、澡盆、馬桶、沙發、鋼絲床、山珍海味、西餐用具以及西餐廚師等等一應俱全地被運抵貧苦的延安。八月七日上午，「美齡號」專機在延安簡易機場塵土飛揚的跑道上降落，蔣介石被安排住進延安最好的邊區外交賓館裡。
彭德懷部對榆林的攻擊，令蔣介石深感不安。一方面，他始終認為西北的共產黨軍隊已無力作戰，特別是進行堅固城池的攻堅作戰，因為他們不僅兵力少得可憐，而且武器簡陋、彈藥缺乏，在國民黨軍的追擊下，於貧瘠的黃土高原上來回轉移必定人馬困頓；另一方面，他最不放心的正是陝西的北面，鄧寶珊本來就不可靠，加之榆林防禦兵力有限，一旦榆林不保，則寧夏孤立，胡宗南失去北面的作戰配合，必將影響整個陝北的戰局。
到達延安的當天下午，蔣介石親自主持召開了旅以上軍官會議，專門研究出兵增援榆林的問題。與會者有羅澤闓（國防部作戰三廳廳長）、王叔銘（空軍副總司令）、胡宗南（西安綏靖公署主任）、裴昌會（西安綏靖公署副主任）、薛敏泉（西安綏靖公署副參謀長）、董釗（整編第一軍軍長）、劉戡（整編第二十九軍軍長）等將領。羅澤闓首先介紹了當前國民黨軍在山東作戰的情況，要求胡宗南部主力趁陝北共軍膠著於榆林城下之際，迅速尋求與彭德懷部決戰，最低限度也要迫使陝北共軍主力東渡黃河。胡宗南表示接受這一作戰任務，但他強調了兩點困難：一是目前正值雨季，汽車運輸補給困難；二是要集中主力與彭德懷部決戰，鹹榆公路的守備就會兵力不足，長途運輸補給將面臨危險。蔣介石當即表示，空軍把運輸機集中在西安機場，為作戰部隊進行空投補給。他要求胡宗南不要擔心補給問題，盡快按照國防部的意圖擬定作戰計劃。會議接著討論了幾個重點作戰問題：（一）榆林守軍必須固守，以待援軍；（二）由整編第二十九軍軍長劉戡指揮整編十七、三十六、九十師沿鹹榆公路前進，到達瓦窯堡補給後繼續北進；（三）整編三十六師迂迴行動，避開綏德、橫山正面共軍的阻擊，走保安、靖邊一線，沿著伊盟南端邊緣前進，限令十一日抵達榆林，與榆林守軍形成合力內外夾擊；（四）整編三十六師一路上的補給由空軍負責逐日空投；（五）由整編第一軍軍長董釗指揮整編第一師和整編三十八師，跟隨整編第二十九軍保持一天的行程，隨時準備配合作戰。
晚上，蔣介石單獨與胡宗南再次研究了榆林作戰問題。當胡宗南說此次共軍打榆林的真正意圖，也許是準備在米脂以北伏擊我增援部隊時，蔣介石說，今後陝北作戰，不必再強調穩紮穩打了，要用急進猛打的戰法，彌補以前與共軍作戰顯露出的缺陷。蔣介石特別強調，迂迴增援的整編三十六師不但要隱蔽，而且行動要快，要達到出乎共軍意料的奇效。蔣介石告誡胡宗南：「陝北為主要戰場，為匪之首腦所在，如不肅清，後患無窮。本令七月底肅清，現延長一個月，八月底定須肅清。」
第二天一大早，蔣介石開始在延安城裡轉悠。沒有人知道他此時此刻的感受。在棗園，蔣介石終於看見了他的對手毛澤東曾經住過的那間窯洞，與當地農民的窯洞沒有任何區別，門窗是沒有油漆過的陳舊的木頭做的，窯洞內牆面剝落，靠窗的那張榆木桌的桌面坑窪不平，簡陋的床也是榆木釘起來的。窯洞外面的院子裡有棵樹，樹下有個石凳，還有架紡線的紡車。隨從告訴他，這間窯洞的旁邊和下面，是周恩來、朱德和劉少奇等人的窯洞，這些窯洞無論外觀還是內設都是一樣的。儘管從一九二七年國共決裂開始，蔣介石就知道共產黨人已被逼進了山林和鄉村；特別是一九三四年，國民黨軍通過五次大規模的「圍剿」佔領了共產黨人的首府江西瑞金，迫使他們千里萬里地走向中國西部人煙稀少的地帶之後，毛澤東與他的部隊面臨危境、身處絕境的情報從來就沒有中斷過。可是，此時，面對破敗的延安小城和這些近乎原始的窯洞，蔣介石還是感到十分震驚。他無法想像毛澤東何以在如此惡劣的生存環境中保持著旺盛的鬥志，有效地指揮著他的軍隊在全國的戰場上與政府軍對抗，並且能在這樣的桌子上把文章寫得既尖銳犀利而又文采飛揚。
蔣介石回到邊區外交賓館，審定了胡宗南送來的作戰計劃後，當天就離開了這個讓他心緒不寧的地方。
這是蔣介石一生中第一次也是最後一次來到延安。
蔣介石離開延安的時候，榆林城牆上每一個垛口都懸掛起一隻裝滿炭火的鐵絲籠子。鄧寶珊奉命固守待援，而他面前的榆林城已是煙火繚繞，滿城通明。八月七日晚上，彭德懷的三五八旅七一六團和獨立第一旅二團開始攻擊榆林城外唯一的制高點凌霄塔。凌霄塔四周是開闊地，加上炮火有限，官兵們只能用挖壕的方式一點點接近。從七日黃昏到八日凌晨，壕溝終於挖到塔下，衝鋒隨即開始。凌霄塔守軍是二十八旅八十二團三營，戰至又一個黃昏，三營包括營長古遂東在內全部傷亡，西北野戰軍佔據了這一制高點。消息傳來，鄧寶珊親自到南門找到二十八旅旅長徐保，聲色俱厲地命令他必須把凌霄塔奪回來。徐保知道此戰如果打不好，無法向提拔他的胡宗南交代，於是嚴令八十三團副團長王宗義帶兵出城向凌霄塔反擊。王宗義出擊的時候，徐保命二十八旅的炮兵全力支援，鄧寶珊也令第二十二軍的炮兵同時開炮，凌霄塔四周頓時彈片橫飛，烈焰升騰。在優勢火力的掩護下，王宗義率一個營的官兵不顧一切地衝擊，三小時之後，守衛凌霄塔的兩個連的官兵全部傷亡，王宗義收復凌霄塔陣地。
向榆林城西發起攻擊的三五八旅七一五團三營遇到了難題。攻擊的路線是一片沙漠，無遮無攔，無法構築攻擊工事，官兵們只能把自己埋進沙子裡，只露出眼睛面向城牆。沙土在太陽的烘烤下能把雞蛋烤熟，官兵們很快就因為缺水而支持不住了。風刮起來的時候身上的沙子剛被吹走，前面的城牆上就飛來了子彈。連城牆都不能接近，還談什麼攻城？官兵們萬分焦急。九日中午，守衛城西門的輜重營二連長楊謙之接到報告，說哨兵發現城外西沙梁的共軍正在搖動白旗，看樣子想投降。楊連長立即命令一名排長帶領二十名官兵出城接受投降。一排長還沒走到西沙梁，突然遭到射擊，楊謙之這才明白共軍在詐降。詐降的是埋伏在熾熱的沙子中的三營九連。二十多名國民黨官兵拚命往回跑，九連的百十名官兵拚命追擊，雙方在鬆軟的沙丘上開始了賽跑。城牆上的楊連長知道受騙了，但城下雙方混雜在一起無法開槍。直到自己人接近城門的時候，城牆上的機槍才開始不分敵我地射擊，殘存的國民黨官兵跑進了城，九連還活著的官兵擠在了城門洞裡。半夜兩點，一聲巨響，小西門附近的城牆被炸開一道縫隙。藏在城門洞裡的九連官兵吶喊著往城裡沖，瞬間就與國民黨守軍廝打在一起。但是，很快他們就發現後續部隊沒能上來——三五八旅指揮員無法判斷炸藥把城牆炸開了多大的口子，也無法判斷七一五團三營是否佔據了突破口，派上去查看情況的人因為負傷未能及時報告，隨後派出去的一個排繞來繞去也沒與九連接上頭，因此後續部隊始終沒有跟上去。而就在這個時候，鄧寶珊派出的兩個連的增援部隊到達，同時所有的炮火開始轉向西門轟擊，九連最後被迫撤往城外，撤出來之後這個上百人的連隊只剩下四人。
攻擊城北的部隊也進展不順。在佔領大部分外圍陣地後，遭到守軍猛烈的反擊，從七日黃昏到八日拂曉，雙方在城外陣地來回拉鋸，彼此傷亡都很大。九日夜半，國民黨守軍退回城內，走前將北關的民房全部點燃，大風之下，火勢兇猛，北關一片火海，徹夜燃燒。
十一日中午，毛澤東致電彭德懷：「……榆林非急攻可下，而鍾松仍有可能迅速增援，似宜決心暫停攻城，集結部隊，準備於十二日夜或十三日打鍾松。」可是，彭德懷已無法執行這個部署，因為鍾松的整編三十六師繞過彭德懷預設的阻擊陣地，其先頭部隊已經接近榆林。
鍾松，國民黨軍整編三十六師師長，黃埔軍校第一期畢業生，是胡宗南的同學，在西安綏靖公署所屬各部隊中，他是資歷最深的長官，具有豐富的作戰經驗。整編三十六師也是國民黨軍嫡系部隊的主力，下轄三個旅，每個旅三個團，全部美式裝備，兵力萬人之眾。
因預想到彭德懷部很可能圍城打援，整編三十六師以極快的行軍速度長途跋涉，從榆林以北長城之外的沙漠地帶繞道，於八月十二日到達距榆林不足十五公里的蘇莊子、天鵝海子一帶。
彭德懷對榆林的攻擊以及圍城打援的設想，都因整編三十六師的迅速機動和出其不意而失去了戰機。
十二日黃昏，彭德懷下達了從榆林撤圍的命令。
鍾松進入榆林城，鄧寶珊設宴款待。
彭德懷部攻擊榆林失利的客觀原因是：榆林城防堅固，守軍抵抗頑強，援軍增援迅速，而攻擊部隊缺乏攻城兵器，特別是彈藥奇缺，攻擊時間也不充裕。主觀原因是：攻擊官兵缺乏攻堅作戰的經驗，多次出現第一梯隊與第二梯隊失去聯繫，從而導致攻擊行動相互脫節。同時，對國民黨軍增援部隊的行軍速度估計不夠，部署阻援措施不力。
榆林失利，給毛澤東帶來了危險。
就在鍾松的整編三十六師迂迴榆林的同時，劉戡率整編第一軍和整編第二十九軍主力全力向綏德、米脂推進，雖然目標依舊是尋找毛澤東的行蹤，但其行動已對位於無定河與黃河之間的西北野戰軍後方機關和野戰醫院構成威脅。毛澤東要求彭德懷立即控制歸德堡與鎮川堡之間無定河兩岸，同時要求「我無定河、黃河間各後方機關，必須迅速移至黃河以東，望賀（賀龍）、習（習仲勳）立即部署移動」。
一直盼望毛澤東在持久的軍事壓力下不得不東渡黃河的胡宗南，立即被賀龍、習仲勳率領的中共西北局、邊區政府、野戰軍機關和野戰醫院強渡黃河的行動迷惑了。儘管大雨傾盆，但是通過電台測向、空中偵察和地面偵察，黃河上共產黨人的龐大隊伍確實在頂風冒雨地渡河，這一情景令胡宗南異常興奮，他認定彭德懷北攻榆林不克，損失巨大，只有掩護著毛澤東一行東渡黃河，以免被殲。於是，胡宗南立即命令整編第一軍軍部指揮整編第一師守備綏德，整編第二十九軍以及整編九十師向葭縣（佳縣）急促推進，同時命令鍾松的整編三十六師由榆林向鎮川堡方向前進，「協同第二十九軍壓迫彭匪主力於葭縣附近黃河地障而殲滅之」。
整編三十六師剛剛進入榆林城，官兵因為長途迂迴跋涉，極度疲憊，原本打算在榆林城內休息幾天。但是，胡宗南要求他們迅速南下的命令到了，並說將派飛機給整編三十六師運送給養。當時，鄧寶珊正忙著處理榆林戰鬥的善後，掩埋死亡人員，籌集軍民急需的糧食，哪裡還顧得上整編三十六師。鍾松向駐榆林的中央銀行分行借了點錢，給各旅解決急需的吃飯問題，然後，全師於十四日上午從榆林出發了。出發前，從西安飛來的四架飛機投下了一些因為天氣炎熱而發酸了的麵餅，對於一萬多人的整編三十六師來講這無異於杯水車薪。鍾松把補給的希望寄托在各旅團留下來的輜重營和運輸隊上，鍾松命令他們接收到胡宗南空投的補給之後立即追趕部隊。鍾松不曾想到的是，胡宗南答應的補給直到他的部隊被全殲之後也沒有運到榆林。
此刻，指揮著百萬大軍的共產黨中樞在國民黨軍的追擊和圍捕下，其顛沛之艱辛與危險，是當時各個戰區的共產黨將領以及包括蔣介石在內的國民黨軍將領無論如何都難以想像的——毛澤東的這段歷史往事之所以令人感歎，是因為當這一小隊人馬在荒涼的山谷間由於命懸一線而來回轉移之時，毛澤東仍舊指揮著分散在全國各個戰區的部隊作戰，而且，各個戰區的共產黨將領不斷地聽到毛澤東發出「蔣介石很快就要完蛋了」的呼聲。
小河會議之後，毛澤東一行開始向東轉移。為了保密，他們的代號由「三支隊」改為「九支隊」。八月一日晚，毛澤東到達靖邊縣青陽岔，這是自離開延安後毛澤東第二次來到這個村子。住了一夜之後，第二天在悶熱的天氣裡繼續趕路，到達橫山縣的小水溝村。這是一個貧苦的小村子，因為窯洞很少，大部分人睡在了露天。毛澤東住進村長李文運的家裡，戰士們在李家的石炕上支起一扇門板給毛澤東當辦公桌。但是，劉戡的部隊很快就接近了，於是再走。下雨了，他們在一個叫石灣鎮的村子裡弄了點飯吃，沒來得及烘烤一下衣服，就接著向肖崖則村方向行進。劉戡的部隊始終跟在後面，毛澤東剛離開火石山，劉戡就進了村；毛澤東剛離開石灣鎮，劉戡跟著就進了鎮，這個國民黨軍將領總是能在毛澤東睡過覺或者歇過腳的窯洞外擺出姿勢留個影。八月三日，到達肖崖則村時，毛澤東已渾身濕透，鞋裡灌滿了泥漿。聽說劉戡的部隊在石灣鎮宿營了，毛澤東說：「那好，我們也陪他住下吧。」他和周恩來擠在農民李俊成的窯洞裡睡了一夜。第二天，走到子洲縣的巡檢寺村，尋找住處的人還沒回來，毛澤東一行人就在雨中等著。這時候，西北野戰軍攻擊榆林的戰鬥打響了。九支隊先到了綏德的李家崖，然後又到了黃家溝，在大雨和泥濘中不斷地與劉戡的部隊周旋。毛澤東盼望著攻擊榆林得手的消息，但最終傳來的是整編三十六師從北面的沙漠繞路增援，攻擊榆林失利的報告。西北野戰軍從榆林撤退的那一天，毛澤東一行急促地離開了黃家溝，因為他們必須趕在國民黨軍前面渡過無定河，通過綏德城。在泥濘的路上走了大半夜，到達無定河邊，一座九孔大橋橫跨在河上，當時還有民兵守著。過橋之後，毛澤東聽說要炸掉大橋，表示了不同意見，他說劉戡要用這座橋就讓他用，他是暫時用用，我們可是要永遠地用。搶在劉戡前面通過了綏德城，八月十四日，毛澤東一行到達米脂縣的井家坪。
這天，整編三十六師離開榆林，開始全速南下。
局勢陡然間危機四伏：黃河以西，無定河以東，南北約二十公里，東西約三十公里，在這樣一片狹長的地帶內，毛澤東已處在國民黨軍十幾萬兵力的南北夾擊之中。
毛澤東致電彭德懷，提出了攻打整編三十六師的設想：「鍾松本早在榆林接受投糧，估計本下午可能向南走二三十里，明日必向鎮川前進，其目的是占米脂。劉戡五個旅十六（日）上午可到綏德。明日集中八個旅打鍾松于歸德、鎮川線以東以北山地是好機會，不知部署來得及否。」
這時西北野戰軍主力正集結於榆林東南、沙家店西北地區，北面是沙漠，東面是黃河，西南面是無定河，雖然迴旋的餘地很小，但正處在整編三十六師南下的必經之路上。彭德懷當日回電，決心打整編三十六師。但是，富有作戰經驗的鍾松南出榆林後，並沒有直接走魚河堡至鎮川堡的公路，而是改走無定河西岸，繞過了彭德懷預設的伏擊陣地。西北野戰軍官兵眼看著國民黨軍從河對岸走了過去，隔河卻無法展開攻擊。
為了擺脫危險，也為了令彭德懷不要顧及中央放手作戰，九支隊決定自行轉移。原定的路線是渡過無定河向西，再次返回小河村一帶，繞到敵人的後面去。但是，連日大雨，河水暴漲，無法徒涉，又沒有找到船隻，無奈之下只好向東北方向轉移。毛澤東疲憊之極，但堅持不坐擔架。在陳家岔住了一晚之後，第二天過烏龍鋪，繼續向東。雷電交加，白晝如夜，到達葭縣西面的曹家莊時，百姓已睡，不便打擾，戰士們找到一個無人居住的破窯洞，毛澤東立即召集會議。戰士們站在村口的大槐樹下避雨，都說這裡離黃河很近，看來很可能要過黃河了。但是，劉戡的部隊已從烏龍鋪出動。九支隊立即再次上路。黑暗中只能借助閃電的光亮辨路，耳邊是山洪暴發的隆隆聲響。黎明時分，毛澤東到達葭蘆河邊，原來細小的水流現在已是一片汪洋，根本無法通過。河的兩側是高山，後面是劉戡的追擊部隊。毛澤東和任弼時商量了片刻，決定向西北方向前進，那裡是絕壁山峰。毛澤東揮揮手說：「咱們上山！」汪東興囑咐戰士上山不要留下任何痕跡。毛澤東說：「不用不用，豎塊牌子，上面寫上『毛澤東由此上山！』」山頂上有個小村莊，叫白龍廟。毛澤東往石頭上一坐，說：「不走了！就在這裡休息，等敵人上來，打他三個鐘頭再走不遲！」站在這裡，可以看見遠處的葭縣縣城，劉戡追到葭蘆河邊仍沒找到毛澤東的蹤跡，於是架起大炮開始猛轟葭縣縣城。
八月十八日清晨，九支隊繼續轉移。雨下得更猛，天像漏了一樣。下山的時候，被洪水推著走，大家挽著手，免得被水沖走。下到山谷裡，向北走到葭蘆河上游，找到河面相對較窄的地方開始架浮橋。警衛戰士在湍急的河水中幾次架橋都沒有成功，毛澤東坐在河邊石頭上低頭看文件，山頂上白龍廟方向槍聲密集，是後衛部隊與追擊的敵人打上了。汪東興建議將毛澤東設法弄過河去，毛澤東不願意。在當地百姓的幫助下，浮橋終於架成了，周恩來在橋上來回走了幾趟，然後讓毛澤東過河。毛澤東堅持讓機要人員、電台和文件先過，自己最後才上了橋。他剛一過去，轟隆一聲，浮橋被洪水沖垮了。第二天，毛澤東一行到達梁家岔。
晚上二十三時，彭德懷來電：「擬於明日拂曉包圍沙家店附近敵之兩側而殲滅之，因此不能到中央住地去，請中央轉移到劉全塌〔離梁家岔二十里〕以靠近主力。」毛澤東命令九支隊輕裝，準備七天的乾糧，把文件燒燬，準備隨時向西突圍。他說：「沙家店一帶要打大仗，兩軍主力都集中在這裡，地區狹小，打得好，我們轉危為安，不走了；打不好，我們就往西走，出長城，進沙漠。」
形勢所迫，對國民黨軍整編三十六師的作戰，將決定共產黨人在陝北的命運。
在必須破敵一路，並給予堅決打擊時，選擇整編三十六師為攻擊目標的理由是其孤軍深入的態勢。鍾松成功地增援榆林，得到蔣介石的褒獎，再次從榆林出發向劉戡靠攏時，整編三十六師的行動果斷而急促，其一二三旅和一六五旅四九三團為第一梯隊，由鎮川堡繞過沙家店向烏龍鋪前進，其師部和一六五旅（欠四九三團）為第二梯隊，在沙家店以西跟進，擬於烏龍鋪與劉戡部會合，然後兩軍合力一舉將彭德懷部消滅在黃河邊。
彭德懷決心集中主力，趁鍾松與劉戡兩部的夾擊之勢尚未形成，利用整編三十六師一字排開孤軍深入的時機，堅決迅猛地插入兩部之間狹窄的縫隙，在沙家店地區伏擊整編三十六師。西北野戰軍的部署是：許光達的第三縱隊並指揮綏德軍分區第四、第六團進至當川寺南北的高地，牽制鍾松的第一梯隊，並阻擊劉戡可能的增援；王震的第二縱隊和教導旅、新編第四旅進至東溝、高家疙塔、宋家井地域，攻擊鍾松的第二梯隊；張宗遜的第一縱隊在高柏山、老虎疙塔地域，由西南向東北方向實施攻擊，先配合第二縱隊打鍾松的第二梯隊，然後集中兵力打其第一梯隊。
大雨滂沱。
陝北是中國著名的乾旱地區，連日不斷的瓢潑大雨令當地百姓十分驚異，認為雨水是共產黨帶來的——「胡宗南是旱老虎，共產黨是及時雨。」
但是，雨下得太大了，四野汪洋，山洪暴發，向預定戰場開進的官兵步履維艱。更嚴重的是部隊已斷糧多日。西北野戰軍之所以兵力很少，與中國西北地區無法養活大軍有關。部隊作戰時，讓彭德懷最感困難的還不是敵眾我寡，也不是彈藥缺乏，最要緊的是官兵們吃什麼。連續的轉戰，各部隊攜帶的糧食已消耗殆盡。聽說有個部隊連黑豆都沒有了，年近五十的彭德懷讓警衛員把自己僅有的四斤小米送過去，他自己則以粗糠和壓碎了的黑豆充飢。陝北的貧苦百姓曾傾盡全力支援共產黨軍隊作戰。民兵封鎖道路，埋設地雷，組織擔架隊，老人、婦女和孩子們把家裡能吃的南瓜土豆都拿了出來。擔架隊裡有個叫金有發的青年農民，父親是陝北的老紅軍，一九三五年紅軍東征時戰死在黃河邊，弟弟剛剛參軍，幾天前攻擊榆林時死在了城牆下。金有發參加擔架隊上前線後，他的妻子把自家藏在山裡的十幾斤谷子挖出來，連夜推碾子磨米。小米碾好的時候，發現背上的孩子已經餓死了。女人把孩子的小屍體埋在草叢中，背著小米循著槍聲找到了部隊。彭德懷知道後眼淚汪汪：「沒有老百姓，哪有中國革命？邊區人民對我們恩德如山，咱們要惜民命，再也不能增加人民的負擔了！哪怕是殺馬殺騾子吃，也要堅決打好這一仗！」
二十日，彭德懷發佈殲敵動員令：
徹底消滅三十六師，是我西北戰場由戰略防禦轉入戰略進攻的開始；收復延安解放大西北的開始。為著人民解放事業，繼續你們無限勇敢精神，立即消滅三十六師，活捉鍾松，號召你們本日黃昏以前勝利完成戰鬥任務！
拂曉，攻擊在瓢潑大雨中開始。
一縱和二縱首先將整編三十六師師部和一六五旅包圍在沙家店地域，隨之發動了猛烈的攻擊。不是說彭德懷部主力連同共產黨首腦機關已經退到黃河邊，正在倉皇渡河嗎？鍾松對突然遭到攻擊有些不知所措，立即命令部隊在泥溝以北、張家坪以東迅速構築防禦工事進行抵抗，同時急令前面的第一梯隊一二三旅迅速向沙家店靠攏。
烏雲低垂，大雨時斷時續，天昏地暗之中，西北野戰軍的攻擊異常兇猛，一六五旅各團沒來得及築起工事，西北野戰軍官兵已經衝到眼前了。鍾松不斷地催促一二三旅趕快靠攏，可就是不見一二三旅的影子。戰鬥持續到黃昏時，一六五旅待援無望已鬥志全無，官兵在泥濘中跑得滿山遍野都是，西北野戰軍官兵忘記了肚子空空，大叫大喊地追擊著，喊聲和雨聲混合在一起讓鍾松聽起來毛骨悚然。天黑了，鍾松終於意識一切都完了。他和一六五旅旅長李日基脫下軍裝，換上早就準備好的老百姓的衣服，準備丟下部隊獨自逃離戰場——至少李日基旅長有著豐富的逃亡經驗，十二年前的一九三五年七月，工農紅軍準備穿過大草地北上甘南時，李日基奉胡宗南之命前往草地邊緣的毛爾蓋阻擊紅軍。那時他是西北補充旅一營營長。在遭到紅一軍團二師四團的攻擊後，李日基砸了電台帶領少數士兵開始逃跑，在原始森林中流浪了數日之後，才得以回到松潘縣城——這一次，他和鍾松師長再次在大雨和黑夜的掩護下成功逃脫，但是他們的部隊徹底垮了。
一二三旅旅長劉子奇是個心事重重的軍官。當時，他的旅距離師部約十五公里的路程，之間需要經過幾座山梁和幾道溝壑。劉子奇認為，如果沒有側翼的保護，又是夜晚，貿然回援沙家店凶多吉少。可是，師長的命令又不能不執行。在與參謀長羅秋佩商量之後，決定先把配屬他指揮的一六五旅四九三團派回去——他們的旅受到了攻擊，有什麼理由不去解救？至於自己的一二三旅，等天亮以後再行動不遲。第二天拂曉六點，一二三旅出發了。夜裡先出發的四九三團已經到達烏龍鋪南面的山梁，一二三旅主力剛剛通過烏龍鋪，劉子奇聽見了沙家店方向傳來的密集的槍炮聲。劉子奇立即開會研究，最後決定離開前面的四九三團，抄近路直接向攻擊三十六師師部的左翼前進，以三六八團為先導，先行搶佔常高山制高點，以掩護主力推進。
三六八團對常高山的攻擊，立即遭到西北野戰軍的阻擊，阻擊部隊是新編第四旅七七一團的一個營。這裡是彭德懷部攻擊整編三十六師師部的側面，戰前沒有料到一二三旅主力會跨越山梁直接增援，如果讓一二三旅從這個方向突進去，戰場局面就會朝不利於西北野戰軍的方向陡轉。於是，阻擊一二三旅的戰鬥突然成為能否全殲整編三十六師的關鍵。七七一團一個營的官兵死守陣地，一次又一次把衝鋒的國民黨軍壓下去。劉子奇旅長也知道這裡是戰場的薄弱地帶，遂命令部隊反覆衝鋒，顯示出堅決突破的決心。但是，反覆衝鋒都未能奏效。劉子奇突然發現，西北野戰軍有從他的兩翼延伸戰線的意圖，於是命令三六七團派一個營到左側山梁擔任掩護。這個營剛一爬上山梁，就遭到隱蔽在那裡的西北野戰軍的襲擊，營長當場死亡，其餘官兵除死傷之外立即全部跑散了。中午的時候，劉子奇與師部的聯絡中斷，他猜想師指揮所可能受到攻擊，於是提出是不是可以撤了？誰知，三六七團團長同意撤退，三六八團團長不同意。劉子奇知道兩個團長爭吵的原因：如果撤退，三六八團必須擔任掩護全旅的任務，這個團的團長怕一旦掩護完畢自己卻撤不下來，於是堅決主張要死大家一塊死。爭執不下之際，胡宗南的電報到了：「固守待援，將派飛機參加戰鬥。」
劉子奇只有指揮一二三旅拚死攻擊了。
這時，羅元發率領的教導旅出現在常高山附近。
教導旅的任務是從常高山以西新編第四旅與二縱之間的戰鬥縫隙插進去，配合二縱攻擊鍾松的整編三十六師師部。他們到達這裡的時候，羅元發旅長發現情況十分緊急，絕不能讓一二三旅從這裡突過去。他立即命令二團團長王季龍帶部隊衝上去，搶佔制高點，配合新編第四旅的阻擊。羅元發爬上常高山，在山頂上找到了指揮作戰的七七一團副團長，兩人商量了一下，決定教導旅從右翼出擊，不但要阻擊住一二三旅，還要將它包圍吃掉。
教導旅主動改變預定作戰計劃，並勇敢地承擔起更為艱巨的作戰任務，成為沙家店戰役取得最後成功的重要因素。
此時，劉戡的部隊距離整編三十六師僅十幾公里。雖然他在電報中說他的五十五旅已經「就近來援」，而他本人則親率主力「繼後即到」。但是，他派出的部隊始終沒能突破許光達率領的第三縱隊的阻擊線。
十九日下午，對一二三旅的最後攻擊開始了。
戰後劉子奇回憶道：
解放軍由正面和右側同時發動反攻，以壓頂之勢從兩面高山殺下，向整第一二三旅全線陣地猛衝，有的陣地被輪番連續衝擊發生白刃肉搏，死傷枕藉，幹部傷亡很多，炮兵營長亦遭炮火擊斃，山炮一門被擊毀，兩門因無炮彈已成癱瘓，騾馬被打得四散亂奔。派往後面掩護並與援軍聯絡的一個加強排也無蹤無影。在戰鬥緊張時候，雖由西安派來三架次飛機參戰，投下幾枚小炸彈，對解放軍絲毫沒起作用。首先第三六八團陣地全部被毀，團長失蹤，官兵沒退回一人。由於一個團被消滅後，旅只殘存三個小山頭的陣地，解放軍的火力更加猛烈地集中在這塊狹小的陣地上，更顯得銳不可當。第三六七團的大部官兵傷亡，陣地失守，電台被炮彈打得粉碎，同各方聯絡斷絕，情況不明。各路援軍均被解放軍阻擊未到，而解放軍則不斷向陣地周圍擁來。這時候我看到前途已經絕望，立即帶著殘部突圍，多次衝擊俱未成功，混戰到將近黃昏時，終於全軍覆滅。
劉子奇突圍未成被俘。
沙家店一戰，西北野戰軍斃傷國民黨軍整編三十六師兩千餘人，俘虜四千餘人，總計六千餘人。西北野戰軍傷一千四百三十五人，亡三百七十九人，失蹤二十五人，總計一千八百三十九人。
沙家店戰鬥在危急的情況下扭轉了西北戰局，基本改變了西北戰場上的敵我形勢。戰鬥結束後，毛澤東、周恩來和任弼時一行親臨沙家店戰場，毛澤東對官兵們說：「沙家店這一仗確實打得好，對西北戰局有決定意義，最困難的時期已經過去了。」
是夜，胡宗南在日記中寫道：
本夜作戰會報判斷匪以全力攻三十六師師部，其對五十五、一二三、一六五各旅皆為牽制隔絕，使眩感於眼前形勢，不敢奮進，使三十六師師部陷於孤立而被消滅。夜不能睡。