西北野战军撤围榆林后，为避免各后方机关及医院遭受损失，遵照毛泽东的指示，贺龙、习仲勋率领中共西北局、边区政府和联防军机关于8月18日渡过黄河。这一行动，造成了国民党军的错觉。胡宗南认为西北野战军攻榆林不克，损失巨大，“仓皇逃窜”，势将东渡黄河，据此，他令整编第二十九军军长刘戡率5个旅向葭县急进；令钟松整编三十六师向镇川堡方向前进，“协同整二十九军压迫彭匪主力于葭县附近黄河地障而歼灭之”。敌人的行动，特别是敌整编第三十六师的迅速南下，使毛泽东、周恩来等率领的中共中央机关和西北野战军被挤压在葭县、米脂、榆林三县间南北三四十里、东西五六十里的狭小地区内，不仅西北野战军回旋余地小，而且中共中央领导机关的处境也异常危险。为保障中共中央的安全，彭德怀一面派许光达率第三纵队到乌龙埔、曹庄一带接应；一面急电中央军委，请毛泽东率中央机关向野战军主力靠近。同时，他还派部队进行侦察，准备粉碎胡宗南的合围计划。
　　彭德怀判断，敌整编第三十六师主力必将经沙家店地区东进，遂决心在刘戡、钟松两部夹击之势尚未形成之前，利用整三十六师一字摆开、孤军冒进的有利时机，以伏击手段在沙家店地区歼灭该敌，粉碎胡宗南的企图，并报告了中央军委，得到了中央军委的完全同意。8月19日晚，钟松部第三十六师通过沙家店，并逐渐进入我伏击圈。8月20日，彭德怀令西北野战军对仓促转入防御的整编第三十六师发起攻击。战至黄昏，除钟松和一六五旅旅长李日基化装带少数人逃脱外，其余均被歼灭。
　　沙家店战役，共毙伤俘敌6000余人，粉碎了国民党军对陕北的重点进攻，从根本上扭转了西北战局，使陕北的战略形势基本稳定，也为中共中央领导机关创造了一个安全的环境。彭德怀说：“这是陕北战局的转折点”，“基本上改变了敌我形势”。毛泽东也高度评价了沙家店战役的胜利，指出：沙家店这一仗确实打得好，对西北战局有决定意义，最困难的时期已经过去了。用我们湖南话来说，打了这一仗，就过坳了。又说：侧水侧敌(指沙家店战役的战场，北面是沙漠，东面是黄河，西、南是无定河和国民党军，回旋余地狭小)本是兵家所忌，而我们彭老总指挥的西北野战军英勇奋战，在短短一天时间里，就取得了空前的胜利。①