宜瓦战役后，敌整编十七师被孤立于延安。渭河以北关中地区近12个县城，除一三五旅、暂二旅、新九旅、骑二旅及伪保安团分散守备外，无一机动部队。胡宗南采取挖肉补疮的政策，不得不将豫西之整编一师、三十师(均在渑池)、三十六师(卢氏)及陕南之整编六十五师(商南)、二零二师(汉中)等部队调回西安附近。除铁路运西安、三原外，东线调回之整编三十师、三十六师，一师由潼关渡洛河北进，以抢占三原、蒲城、大荔，堵我南进。
　　我军于结束宜瓦战役后，即集结于宜川以西之瓦子街、贺家原、马家原及宜川以南之砖庙梁、铁笼湾地区整补。但该地区粮食奇缺，欲休息三五天也属困难。部队经过宜瓦战役，有较大伤亡也很疲劳，需有较长时间休整。因粮食问题不能解决，以至两万多俘虏放走了一万多人。根据上述情况，乘敌后方空虚，继续前进，以解决粮食问题和消灭分散之敌。这成为西北野战军围攻洛川并在围攻过程中打援的重要原因。
　　洛川是咸(阳)榆(林)公路上的重镇，是胡宗南集团重要物资供应基地。城周沟壑纵横，道路多为崾岘形成的要隘，塬上地面平坦，视野开阔，易守难攻。守敌利用陡峭沟壑构筑坚固工事，挖掘了深达几米甚至十几米峭壁外壕，设置了多层铁丝网，埋设了大量地雷，并有整编二十七、九十师增援宜川时留下的火炮、坦克等重型武器，更增加了我军攻城难度。
　　1948年3月9日晚，三、六纵队同时向洛川发起攻击，部分外围据点守敌稍事抵抗即逃入城内。洛川守敌六十一旅凭借深沟高垒，拼死守城。副旅长杨荫寰将从外围逃入城内的官兵全部杀掉，警告城内守军断绝余念，舍得一死，死里求生。胡宗南调兵遣将。3月29日，裴昌会率第五兵团4个师8个旅，组成援洛(川)兵团，自铜川北进。
　　15日，毛泽东致电彭德怀：“你们攻洛川时，必须注意同时部署打援。”遵此，彭德怀决定继续采用“围城打援”战术。以三、六纵队各一部围攻洛川，诱敌北援；以一、四纵队于黄陵、宜君地区集结待机；二纵队从蒲城移到白水至冯原镇地区机动，准备歼灭可能北援敌军。
　　西安民是洛川城东北的一个重要外围据点，守敌拼死顽抗，24日晨独五旅占领西安民，继克屯里、石家庄；独二旅于24日晚攻占飞机场，25日攻占窑子村等重要据点。28日晚，三纵队独二旅从城东，独五旅从城北，六纵队从城南及其两侧协同向洛川城发起总攻。三纵队因城外地形开阔，敌工事坚固，火力密集，3次攻击未果，于拂晓前撤出战斗。六纵队向笔架台攻击，已夺取部分前沿阵地，但因第二梯队未能及时投入战斗，致遭敌反击，伤亡较大，失去战机。
　　为了达到攻洛打援的目的，西北野战军除以三、六纵队各一部继续围攻洛川外，北线以三、六纵队各一个团位于茶坊、富县地区监视延安敌军；南线以四纵队骑兵六师和一纵队一部控制铜川西北、东北地区，准备打援。二纵队位于白水至冯原镇地区机动。由于洛川之敌凭险扼守，又十余日连降大雪，三、六纵队连攻22天未克。延安敌军整编四十八旅旅长康庄率领3个团南援，27日到甘泉后不敢南进，31日缩回延安。
　　4月上旬，西北野战军为促使敌军增援，又以三、六纵队对洛川组织了几次佯攻，以迷惑援敌，诱其深入。4月5日，裴昌会以4个整编师共8个旅兵力，从铜川出发，沿咸延公路北进援洛。由于担心重蹈刘戡复辙，便采取缓进稳打方针，4个师猥集一团，日行15公里，夜退7公里，步步为营，齐头并进。至11日，7天仅前进52公里，到达宜君。我军未获歼敌机会，决定以三纵队继续围洛诱敌，主力向西府出击，洛川战役遂告结束。
　　围攻洛川未能取得成功的重要原因在于：由于洛川城坚地险，我军缺乏必要的攻城器具和弹药，又逢天降大雨十余日，影响了部队的行动。加之一些干部在获得宜川战役重大胜利后，产生了轻敌思想，缺乏周密的侦察和细致的组织工作。攻城部队协同不好，发生了火力与突击队、突击队与后续梯队脱节的现象，以致洛川未克。
　　此役，西北野战军虽然未能攻克洛川，但在1个多月之内先后解放了石堡、黄陵、宜君、白水、韩城，一度解放了郃阳、澄城，共毙伤敌945人、俘敌2299人，缴获榴弹炮1门、野炮8门、山炮6门、追击炮211门、重机枪76挺、长短枪597支、炮弹689发、枪弹35万余发和一批军用物资，巩固和扩大了黄龙解放区。三纵队共毙伤敌600余人、俘敌155人，缴获60迫击炮3门、轻重机枪15挺、长短枪115支、子弹6万发，而自己却伤832人、亡206人，消耗各种炮弹2200发、子弹19万发、手榴弹3400枚、炸药600余斤。
　　在此期间，陕甘宁边区晋绥联防军区延属军分区部队配合野战军作战，积极出击，解放了甘泉、富县等城，还在敌后开展游击战争，不断袭扰敌人，打击反动地方武装，起到了良好的作用。