中共中央到达吴起镇时，国民党对西北根据地的第三次“围剿”正在做新的部署。东北军10余个师正在南线集结；董英斌第五十七军5个师位于合水，军部驻合水城；第一0八、第一0六、第一一一、第一二0师分别驻扎合水城邻近地区，第一0九师驻太白镇。王以哲第六十七军4个师，第一一0师(崂山战役被歼)。第一0七师(榆林桥战斗被歼四个营)、第一一七师、第一二九师，分别控制着咸阳榆林大道洛川、鄜县、甘泉、延安各要点。何柱国骑兵军位置不明。敌军企图是：第六十七军沿咸榆大道构成南北封锁线，第五十七军沿葫芦河东进，到鄜县与第六十七军勾结起来，形成东西封锁线。这一态势一经形成，将使初到陕北的中央红军东去不得(敌南北封锁线所阻)，南进不能(敌东西封锁线遮断)，被禁锢在洛河、葫芦河夹角区内(甘泉、鄜县西北地区)，而失掉行动自由权。可见，我们的敌人是有某种战略眼光的。
　　11月上旬，敌五十七军全部出动，沿葫芦河河谷东进。其行军序列是：第一0九师在先，依次为第一一一师、军部，第一0八师、第一0六师，第一二0师。葫芦河最宽处不过200公尺，窄处仅有20余公尺，两岸山岭夹着一河谷小路。这一带山势并不险峻，道路却很坏，车辆不能通过，敌人只得一面走，一面修路，日行程只有20余里。沿途村庄很少，敌人不得不风餐露宿。11月10日，敌前卫第一0九师到达黑水寺，后尾滞于太白镇。敌人在这一带停下了脚步，谋划下一步行动。
　　11月6日到7日，红一军团由定边集、下寺湾移驻秋林(鄜县西北方40里)、象鼻子湾(甘泉南方30里)。与此同时红二十五军打下张村驿、东村、套洞村等白点。随后，红一军团和红一方面军司令部从秋林、象鼻子湾进驻东村、套洞村，与红十五军团会合。11月9日，在甘泉象鼻子湾西北军事委员会总部，毛泽东主持召开了红一方面军团以上干部会议。会议一方面阐述了长征的伟大历史意义，强调了团结的重要性。另一方面则重点研究制定直罗镇战役的计划和具体战术，确定了打直罗镇战役的总的决心。周恩来和彭德怀也都作了重要讲话，对各级指战员提出了具体要求：抓战机要准，打击敌人要狠，要打出我们工农红军的威风。会议决定将红一方面军主力集结于鄜县直罗镇、张村驿一带，并要作好一切战斗准备，包括战前动员、技术教育、熟悉地形、绘制地图。同时要求各部队备足10天的粮食和扫除作战区域内的团匪，随时准备歼灭由甘肃庆阳方向东窜的国民党军队。
　　会议结束后，毛泽东、周恩来、彭德怀等中央领导由下寺湾动身，前往鄜县北道德乡东村前线亲自部署指挥直罗镇战役。17日，红一、红十五军团团以上干部在张村驿集中，由方面军司令员彭德怀带领，前往直罗镇看地形。直罗镇位于葫芦河中游，坐落在河南岸，全镇约40余户，是甘肃庆阳通往陕北鄜县的必经之路，一条东西大道穿镇而过。镇子东头有一座古老的小寨，里面的房屋虽早已倒塌，但寨墙却大部完好。镇子周围，山峦层叠，向远方延伸而去，东西进出口一旦被封闭，镇中之敌插翅难飞，这是一个关门打狗的理想战场。彭德怀带领干部们首先查看了地形，然后登上镇外山岭。几十架望远镜举在眼上，细心地观察着道路、山头、村庄和河流，寻找和选择冲锋道路和攻击点。最后，大家不约而同地把目光集中在小寨子上。彭德怀指着小寨子说：这个小寨子必被敌人用来负隅顽抗。接着，命令徐海东派部队连夜将它拆除，并指示大家，除红十五军团留一个排在镇内向西方监视警戒外，其余部队全部于现地集结隐蔽，以临战姿态进行战前各项准备工作。
　　与此同时，中共鄜县县委和县苏维埃、陕甘边苏维埃亦在紧张地进行群众动员工作：一方面为红军筹集粮草，组织担架队、医护队、洗衣队、运输队、慰劳团；一方面实行坚壁清野，不给敌人留下一粒粮食和可供使用的任何器械。
　　总之，“打好中央红军与西北红军会师后的第一仗”，已成为根据地军民力量的源泉。军民两方的战前准备，万无一失。
　　西北根据地军民已做好了战前的一切工作，但驻守黑水寺敌军一0九师，距红军预设战场直罗镇仅有16公里，尽管该敌在这里停留10天，却对我军的作战计划一无所知。根据地人民的封锁，使他们变成了聋子、瞎子。11月20日，敌第一0九师从黑水寺出发，以战斗姿态前进。其部署：第六二六团沿葫芦河北岸、第六二七团沿南岸齐头并进；师部及第六二五团随后跟进；临时配属的第六三二团在第六二七团右侧方，为右侧支援。沿途没有发生战斗。正午以前，第六二六、第六二七团同时进占直罗镇北、南两侧山岭，并向前(东)方警戒。此时，支援部队第六三二团奉命归还建制。第六二五团和师部随即进入直罗镇。整个镇子鸦雀无声，看不到人迹，听不到鸡鸣狗叫，敌兵们唯一看到的是红红绿绿的标语：“中国人不打中国人”、“你们唯一的敌人是日本鬼子”、“我们帮助你们打回老家去”。牛元峰及其部下在这个小镇上挨过了一个下午、一个夜晚，似乎一切都很平静。
　　22日破晓时分，红一、红十五军团万人精兵，突然从北南两个方向暴风骤雨般地袭来。这一突如其来的变化，使敌兵们在一昼夜的平静中松弛下来的心态，一下子崩溃了。随着精神的崩溃，战线混乱不堪，战斗不过两个小时，北面山梁上的第六二六团团长石世英，自戕而死；南面山梁上的第六二七团团长郑维藩被击毙；两个团的散兵溃向镇内。红军紧紧咬住溃兵从北、南两个方向冲入镇中。镇内第六二五团的作战线被自己的溃兵搞乱，及至红军冲上去，已经失去了抵抗能力，大批大批地缴械投降。不到正午，激烈的战斗就过去了。师长牛元峰收拾残兵败将500余人，退入寨内，困守待援。
　　这时，红一军团撤出战场，转向黑水寺方向，准备迎击敌军后援部队。红十五军团担任攻寨，数度强攻，未能得手。正当组织新的进攻时，周恩来来到火线。他向徐海东问明情况后，指示：为了避免伤亡，不要再攻击了，寨内无水，不消多时，敌人就要突围，野外不是更容易消灭吗?徐海东说：怕情况有变。周恩来告诉徐海东，战役发展毛主席已有部署，短时间内敌情不会有大的变化。于是，徐海东命令部队停止攻击，把寨子围了起来。23日凌晨，敌突围。红军追击部队少共营和二五五团一部，在东方发白，大地依稀可见时分，在南沟门后山(直罗镇西南方约十里)发现了一股敌人，当即将其解决，并找到了师长牛元峰的尸体。那些幸免于死、受到红军宽待的被俘官兵们，目睹战场惨景，想起在直罗镇看到的“你们唯一的敌人是日本鬼子”、“我们帮助你们打回老家去”的标语，中国人的良心会使他们走上新路。
　　牛元峰被围时，他曾频频告急，敌西北“剿总”电令董英斌率两个师增援；令第六十七军进占鄜县的第一一七师，向羊泉原、张村驿前进；命驻中部(今黄陵)的第十七师向公家原、丁家原西北方向前进，策应第一一七师。在榆林桥损失四个营的第一一七师心有余悸，当其进到羊泉原受阻时即停止前进。而十七师则敷衍命令，故此敌人东路援军未曾有效。西路援军董英斌部第一一一师从黑水寺一出动，就受到了红一军团的有力打击，溃退下去。红一军团乘胜追击。24日，在王家角至张家湾之间地区，再歼敌军一个团。至此，直罗镇战役即告结束。
　　此次战役，红军共歼灭敌军一个师又一个团，俘敌5800余人，毙伤1000余人，缴枪3500余枝，子弹22万余发。至于打扫战场未能收集而散失的枪支，则无法统计。战后，仅直罗镇乡苏维埃就收集到长枪70支，短枪12支，子弹足够装几牛车。
　　直罗镇战役期间，国民党西北“剿总”副总司令张学良正在南京。他接到部下关于第一0九师被歼的报告后，当即向蒋面陈。蒋介石听罢，冰冷的面孔上肌肉紧缩，连连抽动，吭都没吭一声。此景此情，张学良在想什么?九一八，张学良代蒋受过，落了个出卖东北的罪名；现在替蒋“剿共”，再加上一个内战祸首；而他的军队50天(10月1日崂山战役—11月21日直罗镇战役)损失近3个师，又遭蒋冷遇，出路何在?这些，是张学良不能不考虑的。他如此自述道：“可怕的失败深刻我心，这更加强了我的信念，即杰出的将领为内战而丧生是令人遗憾的，同时我不愿再轻视共军的战斗力。因此，用和平方法解决共产党的问题，遂在我心中燃起。”⑦日本帝国主义侵占我国东北三省之后，又在谋取华北，民族危机日益加深。在这样的情势下，东北军充当内战先锋，军心不顺，全国人民唾骂，张学良向何处去?东北军走哪条路?历史逼着张学良从速作出选择。
　　直罗镇战役结束后，红一、红十五军团都召开了军民祝捷大会、庆功大会。根据地党、政、军、民为这次胜利欢欣鼓舞，迅速掀起了扩大红军、巩固根据地的热潮。如鄜县，不到一个月就扩红1000余人，编成一个独立团，中部、宜君县超额扩红530人。
　　11月30日，红一方面军在东村举行营以上干部会。会上毛泽东作了《直罗镇战役同目前形势与任务》的报告。报告指出：直罗镇战役胜利的原因：1.两个军团的会合与团结(这是基本的)；2.战略与战役枢纽的抓住(葫芦河与直罗镇)；3.战斗准备的充足；4.群众与我们一致。同时指出直罗镇战役的胜利使刚刚会合的南中北三支红军得到进一步的团结；使我们能够利用时间去猛烈扩大红军；巩固了根据地；容许我们猛烈扩大根据地；配合了全国红军与游击战争的胜利；中央领导我们，要在西北建立广大的根据地——领导全国反日反蒋反一切卖国贼的革命战争的根据地，这次胜利算是举行了奠基礼。⑧
　　后来，毛泽东在《论反对日本帝国主义的关系》一文中又一次指出：“长征一结束，新局面就开始。直罗镇一仗，中央红军同西北红军兄弟般的团结粉碎了卖国贼蒋介石向陕甘边区的围剿，给党中央把全国革命大本营放在西北的任务，举行了一个奠基礼。”⑨