同日14时，彭德怀向中央军委报告：刘戡令第三十六师向米脂前进，我们准备歼击该敌，总的意图是，集中二、三两纵，教新两旅，由西北向东南歼击第三十六师于李家沟、鱼河堡、上盐湾及其以北地区。
按此意图，我三纵14日晚集结于庙儿梁附近，二纵15日晨集结于石窑坪附近，均在镇川堡西北。教导旅15日集结于西岔东北地区，一纵在归德堡、鱼河堡之线，另派出小部兵力在三岔、归德一线节节佯败，引敌前进至上盐湾东北高地。
8月17日，刘戡率主力北进至吉镇以南地区。同日，钟松将第三十六师分为两个梯队，以第一二三旅为第一梯队，由镇川堡向佳县西的乌龙铺突进。依据钟松分路前进情况，彭德怀断定其主力必将经过沙家店地区，便决心在其未与刘戡靠拢前，运动中将其歼。
8月18日3时30分，彭德怀发布“以伏击姿态歼灭该敌三十六师”的命令。命第三纵队（并指挥绥德军区分区两个团）以一部兵力吸引钟松的第一梯队。该纵队主力抗击刘戡所部，阻止该敌与三十六师会合。集中一、二两个纵队和教导旅、新四旅，先歼灭三十六师的第二梯队，再歼第一梯队。当天上午，野战军主力与敌交锋，因天降大雨，敌第二梯队仓皇撤至沙家店地区。
当日晚，野司接电报得知，葭芦河因大雨水涨，不能徒涉，毛泽东和中共中央机关无法向北转移，已冒雨改行西北方向，尚未脱离险境。这几天，彭德怀每天只喝几口小米粥，很少睡眠。他长时间坐在指挥所里，用手指在地图上估量着两路敌军相距的里程，板着脸一言不发。指挥所里鸦雀无声，参谋们进出窑洞，都轻手轻脚，生怕打断他的思路。
据敌军将领回忆，整编三十六师18日进至乌龙铺以南地区，同我军约一个旅的兵力发生战斗。我军且战且退，不即不离，紧紧牵住三十六师。将近黄昏，敌三十六师第一二三旅前进到乌龙铺北山，与刘戡指挥的整编第五十五旅取得了联系后，在北山露营。第五十五旅在距离第一二三旅右翼约20里的山梁上露营，此时，钟松认为万事大吉了，于是率领着他的指挥部和第一六五旅大部人马由镇川堡进至沙家店。
当晚1点钟的时候，敌一二三旅旅长刘子奇突然接到钟松十万火急的电报，说解放军分几路逐渐向沙家店靠近，命他迅速向师部集中。第一二三旅与师部的驻地相距虽仅30余里，但中间须经过几道大山梁和深沟，沿途又没有部队掩护，况且旅的正面还处在战斗接触状态下，因此刘子奇不敢夜间行动，怕中途遭到解放军伏击。他同旅参谋长研究了一下，决定由本旅掩护，把配属的第一六五旅四九三团先行撤走，按指定的路线到师部归还原建制；第一二三旅在天明之前撤下，随四九三团跟进，相互掩护，避免意外。
实际上，8月18日上午，敌第三十六师第一二三旅及第一六五旅第四九三团进至乌龙铺以北之刘家沟，已被我第三纵队一部及绥德军分区第四、第六团箝制于该地。钟松整编三十六师师部及第、一六五旅（欠四九三团）由镇川堡取道沙家店向乌龙铺前进，进至常高山时，受到我第二纵队及教导旅的攻击。但因攻击时机过早，迂回部队未赶到，我未能歼敌。敌退至泥沟以北、张家坪以南地区构筑工事。我第一纵赶至沙家店附近地区隐蔽集结。
18日战斗后，刘戡并未增援钟松而率主力五个旅继续北进。19日占领神泉堡和佳县城。彭德怀分析两部敌军态势，判断敌军并未摸到西北野战军意图，决心仍先行歼灭第三十六师。同时，适当调整了部署，以新四旅抗击回援之敌一二三旅。
19日，彭德怀报告中央军委：“拟于明天拂晓包围沙家店附近敌之两侧而歼灭之。得手后逐次向东北各个歼击之”。20日3时，毛泽东亲拟中央军委复报：“完全同意你对三十六师的作战计划。”此时，毛泽东和中央机关已转移至镇川堡正北80里之梁家岔地区（老苏区）与主力会合，从而结束了自小河出发以来19天艰苦的长途行军。
8月20日拂晓，西北野战军第一、第二纵队向敌整编三十六师发起攻击。该师第一二三旅为解其师部之围，由乌龙铺折回，被教导旅和新四旅包围于常高山附近。彭德怀命令：坚决把一二三旅消灭掉，不能让它往西靠。就这样，三十六师的两个旅被分割两地，全部被包围，敌前后两个梯队无法相顾。
为了在刘戡赶到之前迅速消灭被围之敌，彭德怀发出指令：“彻底消灭三十六师，是我西北战场由战略防御转入战略反攻的开始，收复延安解放大西北的开始”；要发扬无限英勇的精神，“立即消灭三十六师，活捉钟松，号召你们本日黄昏以前胜利完成战斗任务！”西北野战军主力如猛虎下山，挟着万钧之势，向钟松部扑过去。战斗异常激烈，下面是敌第一二三旅中将旅长刘子奇的一段回忆：
19日早晨6时左右，孙团（指整编第一六五旅孙铁英团）已到达乌龙铺南面山梁，整第一二三旅的第三六八团及旅部刚通过乌龙铺，第三六七团还在后面的北山坡。这时候听到了沙家店方面的枪炮声，知道战斗发动了，而且枪声愈来愈紧，战斗形势发展得很快。刘子奇认为时机急迫，即就地召来各团长研究当前情况和地形，为急求解除沙家店师部之围，决定全旅离开孙团行动，取捷径直接向进攻师部的解放军感受威胁最大的左侧翼急进，当即将部队重新部署行动，以第三六八团为先头团，并派一个营为先遣队（大约是第三六八团第一营）占领常高山北面的制高点，以掩护旅主力进出常高山。先遣队将进至常高山山麓时，突然遭到正前方和右侧方的解放军猛烈射击，前进受阻。这时旅主力已进到一处地形狭长而比较低洼的山梁上，亦稀疏地受到解放军的火力射击。预定夺取的制高点，已被解放军占领，这是两方的关键性地点，我旅一定要夺到手才有活动余地。在严令第三六八团迅即攻占制高点的同时，也考虑到防守的问题，当令各部队就地构筑工事，作好防卫准备。由于解放军居高临下，先遣队几次冲锋都被打垮，旅山炮营的3门山炮以齐射火力支援亦无效果。山炮营原有12门日式山炮，因在陕北山区窜扰半年，人员大减，驮马倒毙很多，9门山炮先后被送进了后方仓库，随营携带的3门炮只剩下40余发炮弹，火力不够，起不到支援步兵的作用。先遣队攻击受挫后，发现解放军逐渐向两翼延伸战线。为顾虑旅的侧背安全，由第三六七团派出一个营占领左侧方山梁担任掩护，并配合正面先遣队的攻击，另派出一个加强排占领后方的一处最高点担任掩护，并同刘戡部取联络。
但是派到左侧的那个营将要到达目的地时，就遭到隐伏在山梁后面的解放军的猛烈冲击，营长当场被击毙，官兵死的死，散的散，全营瓦解。
这时已过中午，同师部联络中断，只好直接发电与胡宗南和刘戡联系。当时已经看出自己在地形和战况上都处在不利的形势下，我想此尚有转圜余地的时机撤退，经同两位团长研究，第三六七团团长同意，第三六八团团长反对，意见不一致。原来他们各有打算，因为向后撤退，按当时部队部署具体情况，须要第三六八团担任掩护旅的撤退任务，该团长怕以后不能脱离接触，部队撤不下来，所以反对。
正在这时，接到了胡宗南电报，指示固守待援，并派飞机参加战斗。随后又接着刘戡电报说，已令整编第五十五旅就近增援，他率主力随后就到。
从此战况愈来愈紧，形势急转直下，各个阵地俱遭到解放军猛烈炮击，工事多被摧毁，守兵不断伤亡。先遣队队长被击毙，残余官兵被俘。解放军由正面和右侧同时发动反攻，以泰山压顶之势从两面高山杀下，向第一二三旅全线阵地猛冲，有的阵地被连续冲击发生白刃肉搏，死伤枕藉，炮兵营长亦遭炮火击毙，山炮一门被击毁，两门因无炮弹已成瘫痪，骡马被打得四散乱奔。派往后面任掩护并与援军联络的一个加强排也无影无踪。
在战斗紧张时候，虽由西安派来三架飞机参战，投下几枚小炸弹，对英勇善战的解放军丝毫没起作用。
首先第三六八团阵地全部被摧毁，团长失踪，官兵无一人撤回。由于一个团被消灭后，旅只残存三个小山头的阵地，解放军的火力更加猛烈地集中在块狭小的阵地上，更显得锐不可挡。第三六七团的大部官兵伤亡，阵地失守，电台被炮弹打得粉碎，同各方联络断绝，情况不明。各路援军均被解放军阻击未到，而解放军则不断向阵地周围涌来。这时，我们看到前途已经绝望，立即带着残部突围，多次冲击俱未成功。。
就在这个时候，绥德警备区四、六两团，在司令员吴德峰的率领下，于乌龙铺以西的石板村和沙柳滩，跟刘戡派出支援钟松的整编十二旅、五十五旅展开激战，一举击垮刘戡的警卫连，若不是刘戡跑得快，差点做了俘虏。直到黄昏前，刘戡的部队距离钟松的阵地还有30多里。孤军深入的整编三十六师，只能束手就擒了。
骄横一时的钟松，盼援军无望，暴跳如雷。眼看形势急转直下，阵地相继丢失，电台亦被击毁，各方联络断绝，便和一六五旅旅长李日基等换衣化装，乘黑夜逃跑了。
西北野战军经过激战，当天黄昏歼灭了整编三十六师师部及两个旅，共6000余人。战斗结束后，敌整编第一二三旅旅长刘子奇身着士兵服装，混在俘虏队伍里。这位国民党旅长，是典型的行伍出身，从二等兵到旅长，戎马生涯几十个春秋，来一二三旅前，曾是汤恩伯的参谋长。
他被认出来后，在我军几名士兵看押下，步行18里路，来到一个村子里的破窑洞前。只见一个穿灰布军装的人，中等个子，黑红脸膛，腰里扎根皮带，脚下穿双布鞋，大步迎上来。
刘子奇万万想不到，这就是使自己成为败将的大名鼎鼎的彭德怀。
刘子奇见过彭�