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新四旅3日上午和中午，亦以七七一团的第一、第三营两次猛攻集玉峁阵地，均未得手。下午，三营在阵地上召集七、九两连干部开会，研究攻击失利原因和再次攻击的办法。七七一团令该营后撤至安全地带休整，准备翌日继续攻击。但三营长夏其雨考虑部队后撤须通过敌火地带，将遭致伤亡，向团建议不后撤。团长吴宗先、政委张世功采纳了这个建议。
与二纵相比，一纵方向进展十分缓慢。3日黄昏，第七一六团以第二营向蟠龙以北高地攻击，因对敌之工事没有查清，障碍物未破坏就发起冲击，因而受挫。夜间又以第一营攻击，也未突破。4日拂晓前，三五八旅以第七一五团一营配合七一六团冲击数次，仍未成功。3日黄昏后彻夜攻击，均无效果。3日下午，第八团配属独一旅，以一部协同第二团对磨盘山的攻击，除该团九连攻击小庙梁，在连长吴章友周密组织下，一举攻克敌3个碉堡外，其余攻击因准备不足，协同不够，火力组织不好等原因，均未能攻下。纵队鉴于蟠龙以北小高地工事坚固不易接近，遂令部队4日拂晓开始对壕作业，以迫近敌碉堡，排除障碍，准备下午攻击。
二纵当晚以独四旅十四团协同新四旅攻击苦菜梁。十四团布置以一营配合新四旅部队攻击北山，三营攻其中间山头，二营为预备队。3日22时，十四团一营进至苦菜梁以东隐蔽集结，23时与新四旅同时发起冲击，将敌铁丝网破坏。之后，攻击部队连夜挖好交通壕，进行攻击准备。
次日上午虽有敌机来袭，但独四旅观测到“敌人与其飞机的联络信号是白布摆工人二字，红布摆单括弧形，工人二字相距约两步”，十四团一营于上午11时击落敌机一架，敌机坠落在青化砭附近，减少了来自空中的威胁。
4日12时，随着掩护的山炮轰击，攻击部队向敌北山和中间山头发起冲击。十四团一营与新四旅七七一团一、三营在20分钟之内向敌连续冲击4次，终于突入敌第二主阵地并将其占领。至此，敌纵深防御体系基本瓦解，“蟠龙完全在我火力控制之下”，蟠龙守敌全线动摇。为进一步动摇敌人的斗志，王震还释放了集玉峁战斗中俘虏的敌营长，并写了一封亲笔信，让他带给李昆岗，令其投降。
一纵得知蟠龙东山已经被攻克，东面已无顾虑，令第七一五团两个营在炮火掩护下，向敌猛攻，经数十次冲击，皆因敌外壕未破坏及缺乏通过器材，未能成功。纵队决定由东西两面攻击，激战1小时后终于攻克了敌阵地，歼敌大部。退集镇内之敌千余人向西北方向突围，一纵即令二团、七一四团一部监视小庙之敌，七一五团攻击蟠龙北小高地，其余部队向突围之敌突击，将敌击溃并俘虏千余人。
独四旅之十二团奉命攻击蟠龙镇南面，该团3日黄昏占领窑坪后，继续攻击蟠龙东南山头敌前沿阵地，三营占领敌阵地西北角后，因仓促投入战斗，准备不充分，夜间联络困难，缺乏配合等原因，攻击未能奏效。4日，当十四团占领苦菜梁之后，十二团再次发动攻势，但部队进至铁丝网外收到正面及两侧敌火射击，不得不后撤。黄昏时，在一纵配合下攻克了南山敌阵地。
黄昏后，十四团、一纵、新四旅部队居高临下，向敌猛攻，由南面突入蟠龙市街。19时15分，十三团由苦菜梁沿蟠龙以东小沟追击逃敌，也顺势突入蟠龙市街。十二团亦由东南相继突入。至当晚24时，镇内之敌全部就歼。剩下被一纵七一四团围困于小庙的敌人1个排仍据险顽抗，在被俘军官喊话劝降后，也不得不放下武器投降了。至此，战斗全部结束。
教导旅的任务是在青化砭以北阻击南面敌可能的援军，并扫清外围敌反动武装。该旅当日黄昏（9时半）向平步塔地区攻击，未经什么战斗，就将陕西自卫军第三总队千余人俘获。这些自卫军的纪律极坏，俘虏中发现有强拉民女在工事里，也有的妇女在做饭蒸馍。二团长王季龙是陕北人，拉出俘虏中一个当头的喝问为什么要拉妇女，那人狡辩说是为擀面条，结果被王季龙抬手一枪给毙了。王余怒未息，还要再拉人出来枪毙，被政委关盛志发觉制止。
3日该旅集中于青化砭附近，彭德怀去电估计当晚或第二日晨可攻下蟠龙，判断敌一军、二十九军9日方能回到蟠龙附近，故此打算继续歼击青化砭之八十四旅，要该旅准备。但4日敌四十八旅增至青化砭，协同八十四旅倾巢出动，在2辆坦克、3辆装甲汽车的配合下，向蟠龙增援，被教导旅二团阻击于孙家崖以南山地。当晚在坦克掩护下继续进攻，5日拂晓攻击平步塔至何家沟山地，教导旅二团向东转移。此时蟠龙已经被攻克，增援之敌于5日晨8时撤退，连青化砭也不要了，沿公路以西山地一直向拐峁撤下去，教导旅见诱敌未成，发起追击，但也没能抓住敌主力。一团当晚占领了青化砭。
据国民党军的报告，其主力5月2日由槐树湾附近向绥德攻击前进，“沿途击破匪三五九旅、新四旅等主力之逐次抵抗，九时占领绥德西南五里铺高地，匪凭坚固工事顽抗，我整九十师主力绕匪右翼，而整一师在我两军之间地区钻隙突入绥德，经三小时之巷战，于午刻占领绥德县城”，“绥德残匪纷向西北逃窜”。5月3日整一军以一部续向北追击，迄4日上午与南下之榆林邓宝珊部在米脂会师，形式上打通了延榆交通。
类似的铺陈战绩在国民党军内部是司空见惯的，但由此却引发了一场激烈的争吵。蟠龙战斗中，李昆岗和胡宗南保持着极密切的电讯联系（电报和无线电话），胡宗南整夜坐在延安指挥所的窑洞里等候消息，直到蟠龙守敌被全歼，失去联络为止。最初是董、刘部到绥德后向蟠龙讨要粮草，蟠龙守军则要董、刘回援。胡宗南根据董、刘的报告，判断共军主力在绥德以北，怎么会跑到蟠龙来？据此将李昆岗严厉训斥一通。李昆岗这里遭到共军猛烈攻击，外围阵地尽失，以此报告胡宗南，胡又回头对董、刘大发雷霆，骂他们混账透顶，上了共军的当。董、刘自然不服，鸣冤叫屈，要上级实地调查。胡宗南派飞机空中侦察，结果证实黄河西岸从军渡到黑峪口一线，确有大批船只欲渡河。胡宗南遂又反过来再臭骂李昆岗。如此折腾数番，都没搞清楚共军主力真正所在。反倒被早已掌握胡宗南部上下联络的共军偷听得一清二楚，当做笑话讲。
直至4日清晨，胡宗南才下达了回援蟠龙的紧急命令。绥德离蟠龙不过二百五十里，急行军三日可达，可经由田庄、石咀驿向西南趋折家坪、永坪，或沿董兵团向绥德进军时的老路，经裴家湾、王家湾、瓦窑堡至蟠龙。但董、刘却担心西野在九里山附近（石咀驿东侧）或原来老路上设伏以待，遂“妙想天开”，选定所谓“出敌意外”的道路，即由绥德先向西再折向南的远路。这一条路有的地方是只能单人通行的羊肠小道，数万大军排成一字长蛇阵，昼夜兼程，也足足化了四天才到蟠龙。这时除了空城一座，伤兵数十之外，什么也找不到了。
蟠龙战斗战果及三战三捷对战局的影响
根据5月5日西野上报的战斗结果，中央军委通报各地：此战除毙伤外共俘虏六千五百余人，其中一师一六七旅（缺一个团）四千五百人，陕保两千人，副旅长、参谋长、团长均被俘，旅长闻亦被俘。
不久后公布的清查战果称，“计生俘旅长李昆岗、副旅长涂健、政治部主任陈献金、参谋长柳届春、团长肖伯廉、副团长傅玉遵等以下五七一三名，毙伤其一四零零名，缴获山炮六门、迫击炮六门、火箭筒三个、六零炮十八门、重机枪十八挺、轻机枪一一一挺、步枪二三二八支、司登冲锋枪一二八支及短枪、信号枪、枪榴筒等，子弹廿余万发、骡马千余头、汽车两辆、击落蒋机一架，军需品除洋面一万两千袋、军衣四万套外，尚有军鞋一部及电讯器材等甚多”。我军伤亡失踪合计1549人，其中负伤1256人，阵亡293人。
一纵毙伤俘敌共3923名（其中三五八旅毙伤敌800人，俘敌1807人；独一旅毙伤敌322人，俘敌949人；纵直俘敌45人），一纵伤亡等共748人（伤亡732人，其他16人）；二纵打的是硬仗，缴获反而不多，共俘敌旅长李昆岗以下六百七十一人，缴获各种炮十九门，各种枪三四七支，伤亡不详；据独四旅、新四旅俘敌总数2269人推算，新四旅此役俘敌数为1598人；教导旅此役担负清扫青化砭附近敌自卫总队，俘敌数约在700至1000人以上，详细数字及自身伤亡数字不详；三五九旅负责诱敌主力北上，完成任务后转至清涧西北水园子一线堵截南下回援之敌，有记载的伤亡是七一七团19人负伤，30人阵亡。
据胡宗南年谱称，4日夜蟠龙镇被攻入后，第一六七旅旅长李昆岗“率残部突围后，下落不明”。由前述5月5日军委给各地的通报亦可知，当时尚未清查出李昆岗的下落。实际上，李昆岗是被独四旅十三团俘虏了。就在攻克蟠龙之后，该团宣传股长高明正带一个连兵力负责收容关押俘虏，先查到了李昆岗的卫士排长何斌，据何称李昆岗已经被抓住，但逐个指认时，何斌只指出四九九团团长肖伯廉，而故意漏过了李昆岗。之后凑巧因为缴获的山炮需要人抬，派了四十个俘虏兵去，李昆岗也在内。大概因为长期担任参谋和指挥工作，体力劳动不行，李昆岗被看管的战士认为偷懒不出力，打了几下，才自己说出来是旅长。
前曾提及，战前毛泽东曾去电调晋绥独五旅旅长贺炳炎到西野听候调遣，被任命为一纵副司令员。贺炳炎从野司赴一纵上任时，须由敌我交界处通过，贺胆子很大，只带一个警卫员就出发了。结果路上遇见敌保安队，开始因贺穿着大斗篷，骑着大骡子，又有护兵（警卫员），