要说苦，彭德怀的西北野战军最苦。
西北野战军的称谓来自一九四七年七月三十日周恩来的一封电报：“西北野战兵团定名为西北人民解放军野战军，彭为司令兼政委。”西北野战军副司令员张宗逊，副政治委员习仲勋，参谋长张文舟，政治部主任徐立清。
西北野战军下辖三个纵队以及两个旅和一个山炮营：第一纵队，司令员张宗逊、政治委员廖汉生，辖独立第一旅、三五八旅；第二纵队，司令员兼政治委员王震，辖独立第四旅、三五九旅；第三纵队，司令员许光达、政治委员孙志远，辖独立第二、第三、第五旅。另外的两个旅是：新编第四旅，旅长张贤约、政治委员黄振棠；教导旅，旅长兼政治委员罗元发。西北野战军总兵力约四万五千人。
陈毅过去曾有个疑问，为什么中央在一九四七年夏秋间的来电中常常表扬西北野战军？“好像中央对华野领导颇有不满，特意抬高西北压华东似的”。但是，一九四八年一月，当陈毅辗转到达陕北杨家沟之后，才明白“西北野战军是作战条件最苦的一个野战军”。
麦面有一年多没有吃到了，小米也很难吃到，主要是吃黑豆，过去是喂马的马料，有时还要吃野菜吃糠……他们每打一仗每门山炮只准打五发炮弹，迫击炮每门只能配五到十五发炮弹［华东每门山炮过去三百发炮弹，每门迫击炮二百发，外线出击后炮弹少了。山炮每门一百五十发，迫击炮一百发，就感觉不能打仗了］，他们听了我的报告，说你们这样大的家务，给我们可以打一年……
西北野战军以数万兵力对付胡宗南的几十万大军，所承受的军事压力可想而知。但是，为了配合陈谢、陈粟和刘邓三路大军出击外线作战，彭德怀还是决心不顾压力把胡宗南的部队尽可能牵制在陕北。
彭德怀选择的作战目标是向北攻击榆林。
榆林地处陕西、山西和绥远三省交界地，自明代起就是著名的边塞重镇——“榆林府，习弓马，好战斗。兵民参半，以饷为命。”自古即为兵城的榆林，北倚长城，三面环山，多为沙丘。无定河、榆林河绕城冲积出开阔地，土壤肥沃，物产丰富，商旅繁华。城垣为砖石结构，城南的凌霄塔高地可以俯瞰全城，并控制一个小飞机场。
自内战爆发以来，榆林一直是国民党军包围和进攻共产党陕甘宁边区的重要据点。榆林一旦失守，“不仅晋、绥、陕边区之匪可连成一气，且将予匪囊括河套，直接沟通俄、蒙国际通路之利，于是榆林成为匪我必争之要点”。
至少在彭德怀准备攻击榆林之际，榆林国民党守军的作战心态正处在复杂微妙的时候。
民国初期，榆林是陕北镇守使井岳秀的地盘，井岳秀后任陕北国民军总司令，镇守榆林二十多年。一九三六年，井岳秀因手枪落地走火身亡。抗日战争爆发后，井岳秀的陕军被蒋介石收编，国民党军事委员会把驻扎在兰州的邓宝珊的新编第一军、驻扎在岷县的鲁大昌的一六五师、驻守榆林的高双成的八十六师（井岳秀部）等部队合编成第二十一军团，任命邓宝珊为军团长率部进驻榆林。邓宝珊在榆林经营十年，联络地方，扩展部队，连年加固城防工事，建立起稳固的社会和军事根基。但是，邓宝珊不但不是蒋介石和胡宗南的嫡系，而且在他统领陕军的历史上还曾与共产党人过从甚密。内战爆发后，蒋介石在榆林设立了“晋陕绥边区总司令部”，邓宝珊出任总司令。为了确保包围共产党首府的包围圈不出现军事或政治缺口，蒋介石和胡宗南都认为，有必要向榆林派驻嫡系部队。胡宗南了解到，他的心腹将领整编第一军军长董钊与当年井岳秀的部下现任第二十二军军长左世允是同乡，于是派董钊到榆林任晋陕绥边区总司令部副司令官。左世允军长外迎内拒，董钊在榆林待了半年，除了视察过一次部队和在城郊主持修筑了一些防御工事外，无事可做，最后只好返回西安。一九四六年十一月，国民党军已准备进攻延安，胡宗南奉蒋介石之命，拟将整编三十六师二十八旅派驻榆林，除加强防务之外，最要紧的是监视榆林守军。这一次，胡宗南为让榆林方面接纳这支嫡系部队，特地将一个名叫徐保的团长提升为二十八旅少将旅长，因为他了解到徐保的父辈与邓宝珊有交情。国民党军空军动用了二十多架C-46型和C-47型运输机，将二十八旅官兵空运至榆林。
此时，邓宝珊指挥的部队约一万五千余人。
彭德怀的攻击计划为：二纵、新编第四旅和教导旅攻击鱼河堡、归德堡和三岔湾等地，然后包围榆林城的西面、北面和东南；一纵并指挥绥德军分区四团和六团攻击响水堡，掩护二纵渡过无定河之后包围榆林城的南面和西南；三纵和独立第五旅攻击流泉河和青云山，独立第二旅攻击高家堡和乔岔湾，上述部队包围榆林城东。彭德怀攻击榆林的兵力达八个旅又两个团，总计约四万五千人，几乎是西北野战军的全部兵力，同时也是榆林国民党守军的三倍。
邓宝珊想不到共产党军队会攻击他，他认为自己是共产党人的朋友。
邓宝珊，甘肃秦州直隶州（天水）人，十三岁父母先后辞世，十六岁即到伊犁从军。一九一〇年成为同盟会员参加了辛亥革命，后参与国民军西北军的组建，直奉战争中已升任师长。一九二四年，李大钊领导的中国共产党北方组织开始在国民军中活动，邓宝珊自此受到共产党政治主张的影响。第一次国共合作时期，他与共产党人邓小平、李子洲都有来往，与后任红五军团政治部主任的刘伯坚更是有着深厚的友情。一九三二年，邓宝珊出任西安绥靖公署驻甘行署主任，面对省内武装林立、民生凋敝的景象，他决计整编军队，不扩一兵，专心生息，安抚百姓。由于军政成就显著，国民党元老于右任、邵力子等人鼎立推荐他出任甘肃省府主席，但因蒋介石对他猜疑很深未果，他被任命为陆军新编第一军军长，而第一军的兵力只有两个旅。“西安事变”后，国共抗日联合统一战线建立，他派兵驻守鱼河堡并叮嘱：“维护陕甘宁边区到榆林这一段公路的交通安全，保护来往车辆和人员顺利出入。”在整个抗日战争中，邓宝珊的部队一直与共产党人的陕甘宁边区保持着和睦相处的关系，他本人还多次到延安与毛泽东、朱德等中共领导人晤谈。一九四三年十一月，邓宝珊从西安返回榆林途中来到延安，因偶感风寒在延安停留半个月，毛泽东给他送去了十张狐皮让他做件大衣。邓宝珊走后，十二月，毛泽东又给他去信，信中说：“去年时局转换先生尽了大力，我们不会忘记……八年抗战，先生支撑北线，保护边区，为德之大，更不敢忘。”
八月二日，邓宝珊接到了彭德怀部主力正向榆林挺进的情报。他笑着对同僚们说：“共产党对榆林还用得着这样大的兵力？他们真的要进榆林也不一定要使用武力嘛。”邓宝珊确信彭德怀部不会攻击榆林，如果真的要进攻，至少事先也会和他打个招呼。但是，情报连续到达，而他并没有接到共产党方面的任何解释。邓宝珊有一种严重的不安——他不愿意和共产党打仗，但又不能不备战了。
五日，西北野战军逼近榆林。
邓宝珊召集了军事会议，会议决定放弃外围据点，集中兵力固守榆林城。具体作战部署是：二十八旅八十三团守南城，八十二团守南门外的凌霄塔和三义庙据点；总部特务营一部和第二十二军的工兵营、辎重营和补充营守西城；八十六师炮兵营、工兵连和军通讯营守北城，二五七团和八十六师直属队守东城。
晚上九点，突然下雨，雨越下越大，彻夜未停。
大雨中一个消息传来：奉命从三岔湾紧急调回榆林的新编十一旅一团和二团以及防守高家堡的二五六团遭到猛烈攻击，损失巨大，一团团长王永清和二团团长周效武均受伤被俘。
七日凌晨，榆林已被包围。
蒋介石飞到了延安。
国民党军的最高统帅以占领者的姿态进入共产党人的“巢穴”，这一事件在国民党方面看来极具象征意义。于是，接到蒋介石来延安的指令后，胡宗南立即忙碌起来。飞机在西安与延安之间往来多次，洋瓷脸盆、澡盆、马桶、沙发、钢丝床、山珍海味、西餐用具以及西餐厨师等等一应俱全地被运抵贫苦的延安。八月七日上午，“美龄号”专机在延安简易机场尘土飞扬的跑道上降落，蒋介石被安排住进延安最好的边区外交宾馆里。
彭德怀部对榆林的攻击，令蒋介石深感不安。一方面，他始终认为西北的共产党军队已无力作战，特别是进行坚固城池的攻坚作战，因为他们不仅兵力少得可怜，而且武器简陋、弹药缺乏，在国民党军的追击下，于贫瘠的黄土高原上来回转移必定人马困顿；另一方面，他最不放心的正是陕西的北面，邓宝珊本来就不可靠，加之榆林防御兵力有限，一旦榆林不保，则宁夏孤立，胡宗南失去北面的作战配合，必将影响整个陕北的战局。
到达延安的当天下午，蒋介石亲自主持召开了旅以上军官会议，专门研究出兵增援榆林的问题。与会者有罗泽闿（国防部作战三厅厅长）、王叔铭（空军副总司令）、胡宗南（西安绥靖公署主任）、裴昌会（西安绥靖公署副主任）、薛敏泉（西安绥靖公署副参谋长）、董钊（整编第一军军长）、刘戡（整编第二十九军军长）等将领。罗泽闿首先介绍了当前国民党军在山东作战的情况，要求胡宗南部主力趁陕北共军胶着于榆林城下之际，迅速寻求与彭德怀部决战，最低限度也要迫使陕北共军主力东渡黄河。胡宗南表示接受这一作战任务，但他强调了两点困难：一是目前正值雨季，汽车运输补给困难；二是要集中主力与彭德怀部决战，咸榆公路的守备就会兵力不足，长途运输补给将面临危险。蒋介石当即表示，空军把运输机集中在西安机场，为作战部队进行空投补给。他要求胡宗南不要担心补给问题，尽快按照国防部的意图拟定作战计划。会议接着讨论了几个重点作战问题：（一）榆林守军必须固守，以待援军；（二）由整编第二十九军军长刘戡指挥整编十七、三十六、九十师沿咸榆公路前进，到达瓦窑堡补给后继续北进；（三）整编三十六师迂回行动，避开绥德、横山正面共军的阻击，走保安、靖边一线，沿着伊盟南端边缘前进，限令十一日抵达榆林，与榆林守军形成合力内外夹击；（四）整编三十六师一路上的补给由空军负责逐日空投；（五）由整编第一军军长董钊指挥整编第一师和整编三十八师，跟随整编第二十九军保持一天的行程，随时准备配合作战。
晚上，蒋介石单独与胡宗南再次研究了榆林作战问题。当胡宗南说此次共军打榆林的真正意图，也许是准备在米脂以北伏击我增援部队时，蒋介石说，今后陕北作战，不必再强调稳扎稳打了，要用急进猛打的战法，弥补以前与共军作战显露出的缺陷。蒋介石特别强调，迂回增援的整编三十六师不但要隐蔽，而且行动要快，要达到出乎共军意料的奇效。蒋介石告诫胡宗南：“陕北为主要战场，为匪之首脑所在，如不肃清，后患无穷。本令七月底肃清，现延长一个月，八月底定须肃清。”
第二天一大早，蒋介石开始在延安城里转悠。没有人知道他此时此刻的感受。在枣园，蒋介石终于看见了他的对手毛泽东曾经住过的那间窑洞，与当地农民的窑洞没有任何区别，门窗是没有油漆过的陈旧的木头做的，窑洞内墙面剥落，靠窗的那张榆木桌的桌面坑洼不平，简陋的床也是榆木钉起来的。窑洞外面的院子里有棵树，树下有个石凳，还有架纺线的纺车。随从告诉他，这间窑洞的旁边和下面，是周恩来、朱德和刘少奇等人的窑洞，这些窑洞无论外观还是内设都是一样的。尽管从一九二七年国共决裂开始，蒋介石就知道共产党人已被逼进了山林和乡村；特别是一九三四年，国民党军通过五次大规模的“围剿”占领了共产党人的首府江西瑞金，迫使他们千里万里地走向中国西部人烟稀少的地带之后，毛泽东与他的部队面临危境、身处绝境的情报从来就没有中断过。可是，此时，面对破败的延安小城和这些近乎原始的窑洞，蒋介石还是感到十分震惊。他无法想象毛泽东何以在如此恶劣的生存环境中保持着旺盛的斗志，有效地指挥着他的军队在全国的战场上与政府军对抗，并且能在这样的桌子上把文章写得既尖锐犀利而又文采飞扬。
蒋介石回到边区外交宾馆，审定了胡宗南送来的作战计划后，当天就离开了这个让他心绪不宁的地方。
这是蒋介石一生中第一次也是最后一次来到延安。
蒋介石离开延安的时候，榆林城墙上每一个垛口都悬挂起一只装满炭火的铁丝笼子。邓宝珊奉命固守待援，而他面前的榆林城已是烟火缭绕，满城通明。八月七日晚上，彭德怀的三五八旅七一六团和独立第一旅二团开始攻击榆林城外唯一的制高点凌霄塔。凌霄塔四周是开阔地，加上炮火有限，官兵们只能用挖壕的方式一点点接近。从七日黄昏到八日凌晨，壕沟终于挖到塔下，冲锋随即开始。凌霄塔守军是二十八旅八十二团三营，战至又一个黄昏，三营包括营长古遂东在内全部伤亡，西北野战军占据了这一制高点。消息传来，邓宝珊亲自到南门找到二十八旅旅长徐保，声色俱厉地命令他必须把凌霄塔夺回来。徐保知道此战如果打不好，无法向提拔他的胡宗南交代，于是严令八十三团副团长王宗义带兵出城向凌霄塔反击。王宗义出击的时候，徐保命二十八旅的炮兵全力支援，邓宝珊也令第二十二军的炮兵同时开炮，凌霄塔四周顿时弹片横飞，烈焰升腾。在优势火力的掩护下，王宗义率一个营的官兵不顾一切地冲击，三小时之后，守卫凌霄塔的两个连的官兵全部伤亡，王宗义收复凌霄塔阵地。
向榆林城西发起攻击的三五八旅七一五团三营遇到了难题。攻击的路线是一片沙漠，无遮无拦，无法构筑攻击工事，官兵们只能把自己埋进沙子里，只露出眼睛面向城墙。沙土在太阳的烘烤下能把鸡蛋烤熟，官兵们很快就因为缺水而支持不住了。风刮起来的时候身上的沙子刚被吹走，前面的城墙上就飞来了子弹。连城墙都不能接近，还谈什么攻城？官兵们万分焦急。九日中午，守卫城西门的辎重营二连长杨谦之接到报告，说哨兵发现城外西沙梁的共军正在摇动白旗，看样子想投降。杨连长立即命令一名排长带领二十名官兵出城接受投降。一排长还没走到西沙梁，突然遭到射击，杨谦之这才明白共军在诈降。诈降的是埋伏在炽热的沙子中的三营九连。二十多名国民党官兵拼命往回跑，九连的百十名官兵拼命追击，双方在松软的沙丘上开始了赛跑。城墙上的杨连长知道受骗了，但城下双方混杂在一起无法开枪。直到自己人接近城门的时候，城墙上的机枪才开始不分敌我地射击，残存的国民党官兵跑进了城，九连还活着的官兵挤在了城门洞里。半夜两点，一声巨响，小西门附近的城墙被炸开一道缝隙。藏在城门洞里的九连官兵呐喊着往城里冲，瞬间就与国民党守军厮打在一起。但是，很快他们就发现后续部队没能上来——三五八旅指挥员无法判断炸药把城墙炸开了多大的口子，也无法判断七一五团三营是否占据了突破口，派上去查看情况的人因为负伤未能及时报告，随后派出去的一个排绕来绕去也没与九连接上头，因此后续部队始终没有跟上去。而就在这个时候，邓宝珊派出的两个连的增援部队到达，同时所有的炮火开始转向西门轰击，九连最后被迫撤往城外，撤出来之后这个上百人的连队只剩下四人。
攻击城北的部队也进展不顺。在占领大部分外围阵地后，遭到守军猛烈的反击，从七日黄昏到八日拂晓，双方在城外阵地来回拉锯，彼此伤亡都很大。九日夜半，国民党守军退回城内，走前将北关的民房全部点燃，大风之下，火势凶猛，北关一片火海，彻夜燃烧。
十一日中午，毛泽东致电彭德怀：“……榆林非急攻可下，而钟松仍有可能迅速增援，似宜决心暂停攻城，集结部队，准备于十二日夜或十三日打钟松。”可是，彭德怀已无法执行这个部署，因为钟松的整编三十六师绕过彭德怀预设的阻击阵地，其先头部队已经接近榆林。
钟松，国民党军整编三十六师师长，黄埔军校第一期毕业生，是胡宗南的同学，在西安绥靖公署所属各部队中，他是资历最深的长官，具有丰富的作战经验。整编三十六师也是国民党军嫡系部队的主力，下辖三个旅，每个旅三个团，全部美式装备，兵力万人之众。
因预想到彭德怀部很可能围城打援，整编三十六师以极快的行军速度长途跋涉，从榆林以北长城之外的沙漠地带绕道，于八月十二日到达距榆林不足十五公里的苏庄子、天鹅海子一带。
彭德怀对榆林的攻击以及围城打援的设想，都因整编三十六师的迅速机动和出其不意而失去了战机。
十二日黄昏，彭德怀下达了从榆林撤围的命令。
钟松进入榆林城，邓宝珊设宴款待。
彭德怀部攻击榆林失利的客观原因是：榆林城防坚固，守军抵抗顽强，援军增援迅速，而攻击部队缺乏攻城兵器，特别是弹药奇缺，攻击时间也不充裕。主观原因是：攻击官兵缺乏攻坚作战的经验，多次出现第一梯队与第二梯队失去联系，从而导致攻击行动相互脱节。同时，对国民党军增援部队的行军速度估计不够，部署阻援措施不力。
榆林失利，给毛泽东带来了危险。
就在钟松的整编三十六师迂回榆林的同时，刘戡率整编第一军和整编第二十九军主力全力向绥德、米脂推进，虽然目标依旧是寻找毛泽东的行踪，但其行动已对位于无定河与黄河之间的西北野战军后方机关和野战医院构成威胁。毛泽东要求彭德怀立即控制归德堡与镇川堡之间无定河两岸，同时要求“我无定河、黄河间各后方机关，必须迅速移至黄河以东，望贺（贺龙）、习（习仲勋）立即部署移动”。
一直盼望毛泽东在持久的军事压力下不得不东渡黄河的胡宗南，立即被贺龙、习仲勋率领的中共西北局、边区政府、野战军机关和野战医院强渡黄河的行动迷惑了。尽管大雨倾盆，但是通过电台测向、空中侦察和地面侦察，黄河上共产党人的庞大队伍确实在顶风冒雨地渡河，这一情景令胡宗南异常兴奋，他认定彭德怀北攻榆林不克，损失巨大，只有掩护着毛泽东一行东渡黄河，以免被歼。于是，胡宗南立即命令整编第一军军部指挥整编第一师守备绥德，整编第二十九军以及整编九十师向葭县（佳县）急促推进，同时命令钟松的整编三十六师由榆林向镇川堡方向前进，“协同第二十九军压迫彭匪主力于葭县附近黄河地障而歼灭之”。
整编三十六师刚刚进入榆林城，官兵因为长途迂回跋涉，极度疲惫，原本打算在榆林城内休息几天。但是，胡宗南要求他们迅速南下的命令到了，并说将派飞机给整编三十六师运送给养。当时，邓宝珊正忙着处理榆林战斗的善后，掩埋死亡人员，筹集军民急需的粮食，哪里还顾得上整编三十六师。钟松向驻榆林的中央银行分行借了点钱，给各旅解决急需的吃饭问题，然后，全师于十四日上午从榆林出发了。出发前，从西安飞来的四架飞机投下了一些因为天气炎热而发酸了的面饼，对于一万多人的整编三十六师来讲这无异于杯水车薪。钟松把补给的希望寄托在各旅团留下来的辎重营和运输队上，钟松命令他们接收到胡宗南空投的补给之后立即追赶部队。钟松不曾想到的是，胡宗南答应的补给直到他的部队被全歼之后也没有运到榆林。
此刻，指挥着百万大军的共产党中枢在国民党军的追击和围捕下，其颠沛之艰辛与危险，是当时各个战区的共产党将领以及包括蒋介石在内的国民党军将领无论如何都难以想象的——毛泽东的这段历史往事之所以令人感叹，是因为当这一小队人马在荒凉的山谷间由于命悬一线而来回转移之时，毛泽东仍旧指挥着分散在全国各个战区的部队作战，而且，各个战区的共产党将领不断地听到毛泽东发出“蒋介石很快就要完蛋了”的呼声。
小河会议之后，毛泽东一行开始向东转移。为了保密，他们的代号由“三支队”改为“九支队”。八月一日晚，毛泽东到达靖边县青阳岔，这是自离开延安后毛泽东第二次来到这个村子。住了一夜之后，第二天在闷热的天气里继续赶路，到达横山县的小水沟村。这是一个贫苦的小村子，因为窑洞很少，大部分人睡在了露天。毛泽东住进村长李文运的家里，战士们在李家的石炕上支起一扇门板给毛泽东当办公桌。但是，刘戡的部队很快就接近了，于是再走。下雨了，他们在一个叫石湾镇的村子里弄了点饭吃，没来得及烘烤一下衣服，就接着向肖崖则村方向行进。刘戡的部队始终跟在后面，毛泽东刚离开火石山，刘戡就进了村；毛泽东刚离开石湾镇，刘戡跟着就进了镇，这个国民党军将领总是能在毛泽东睡过觉或者歇过脚的窑洞外摆出姿势留个影。八月三日，到达肖崖则村时，毛泽东已浑身湿透，鞋里灌满了泥浆。听说刘戡的部队在石湾镇宿营了，毛泽东说：“那好，我们也陪他住下吧。”他和周恩来挤在农民李俊成的窑洞里睡了一夜。第二天，走到子洲县的巡检寺村，寻找住处的人还没回来，毛泽东一行人就在雨中等着。这时候，西北野战军攻击榆林的战斗打响了。九支队先到了绥德的李家崖，然后又到了黄家沟，在大雨和泥泞中不断地与刘戡的部队周旋。毛泽东盼望着攻击榆林得手的消息，但最终传来的是整编三十六师从北面的沙漠绕路增援，攻击榆林失利的报告。西北野战军从榆林撤退的那一天，毛泽东一行急促地离开了黄家沟，因为他们必须赶在国民党军前面渡过无定河，通过绥德城。在泥泞的路上走了大半夜，到达无定河边，一座九孔大桥横跨在河上，当时还有民兵守着。过桥之后，毛泽东听说要炸掉大桥，表示了不同意见，他说刘戡要用这座桥就让他用，他是暂时用用，我们可是要永远地用。抢在刘戡前面通过了绥德城，八月十四日，毛泽东一行到达米脂县的井家坪。
这天，整编三十六师离开榆林，开始全速南下。
局势陡然间危机四伏：黄河以西，无定河以东，南北约二十公里，东西约三十公里，在这样一片狭长的地带内，毛泽东已处在国民党军十几万兵力的南北夹击之中。
毛泽东致电彭德怀，提出了攻打整编三十六师的设想：“钟松本早在榆林接受投粮，估计本下午可能向南走二三十里，明日必向镇川前进，其目的是占米脂。刘戡五个旅十六（日）上午可到绥德。明日集中八个旅打钟松于归德、镇川线以东以北山地是好机会，不知部署来得及否。”
这时西北野战军主力正集结于榆林东南、沙家店西北地区，北面是沙漠，东面是黄河，西南面是无定河，虽然回旋的余地很小，但正处在整编三十六师南下的必经之路上。彭德怀当日回电，决心打整编三十六师。但是，富有作战经验的钟松南出榆林后，并没有直接走鱼河堡至镇川堡的公路，而是改走无定河西岸，绕过了彭德怀预设的伏击阵地。西北野战军官兵眼看着国民党军从河对岸走了过去，隔河却无法展开攻击。
为了摆脱危险，也为了令彭德怀不要顾及中央放手作战，九支队决定自行转移。原定的路线是渡过无定河向西，再次返回小河村一带，绕到敌人的后面去。但是，连日大雨，河水暴涨，无法徒涉，又没有找到船只，无奈之下只好向东北方向转移。毛泽东疲惫之极，但坚持不坐担架。在陈家岔住了一晚之后，第二天过乌龙铺，继续向东。雷电交加，白昼如夜，到达葭县西面的曹家庄时，百姓已睡，不便打扰，战士们找到一个无人居住的破窑洞，毛泽东立即召集会议。战士们站在村口的大槐树下避雨，都说这里离黄河很近，看来很可能要过黄河了。但是，刘戡的部队已从乌龙铺出动。九支队立即再次上路。黑暗中只能借助闪电的光亮辨路，耳边是山洪暴发的隆隆声响。黎明时分，毛泽东到达葭芦河边，原来细小的水流现在已是一片汪洋，根本无法通过。河的两侧是高山，后面是刘戡的追击部队。毛泽东和任弼时商量了片刻，决定向西北方向前进，那里是绝壁山峰。毛泽东挥挥手说：“咱们上山！”汪东兴嘱咐战士上山不要留下任何痕迹。毛泽东说：“不用不用，竖块牌子，上面写上‘毛泽东由此上山！’”山顶上有个小村庄，叫白龙庙。毛泽东往石头上一坐，说：“不走了！就在这里休息，等敌人上来，打他三个钟头再走不迟！”站在这里，可以看见远处的葭县县城，刘戡追到葭芦河边仍没找到毛泽东的踪迹，于是架起大炮开始猛轰葭县县城。
八月十八日清晨，九支队继续转移。雨下得更猛，天像漏了一样。下山的时候，被洪水推着走，大家挽着手，免得被水冲走。下到山谷里，向北走到葭芦河上游，找到河面相对较窄的地方开始架浮桥。警卫战士在湍急的河水中几次架桥都没有成功，毛泽东坐在河边石头上低头看文件，山顶上白龙庙方向枪声密集，是后卫部队与追击的敌人打上了。汪东兴建议将毛泽东设法弄过河去，毛泽东不愿意。在当地百姓的帮助下，浮桥终于架成了，周恩来在桥上来回走了几趟，然后让毛泽东过河。毛泽东坚持让机要人员、电台和文件先过，自己最后才上了桥。他刚一过去，轰隆一声，浮桥被洪水冲垮了。第二天，毛泽东一行到达梁家岔。
晚上二十三时，彭德怀来电：“拟于明日拂晓包围沙家店附近敌之两侧而歼灭之，因此不能到中央住地去，请中央转移到刘全塌［离梁家岔二十里］以靠近主力。”毛泽东命令九支队轻装，准备七天的干粮，把文件烧毁，准备随时向西突围。他说：“沙家店一带要打大仗，两军主力都集中在这里，地区狭小，打得好，我们转危为安，不走了；打不好，我们就往西走，出长城，进沙漠。”
形势所迫，对国民党军整编三十六师的作战，将决定共产党人在陕北的命运。
在必须破敌一路，并给予坚决打击时，选择整编三十六师为攻击目标的理由是其孤军深入的态势。钟松成功地增援榆林，得到蒋介石的褒奖，再次从榆林出发向刘戡靠拢时，整编三十六师的行动果断而急促，其一二三旅和一六五旅四九三团为第一梯队，由镇川堡绕过沙家店向乌龙铺前进，其师部和一六五旅（欠四九三团）为第二梯队，在沙家店以西跟进，拟于乌龙铺与刘戡部会合，然后两军合力一举将彭德怀部消灭在黄河边。
彭德怀决心集中主力，趁钟松与刘戡两部的夹击之势尚未形成，利用整编三十六师一字排开孤军深入的时机，坚决迅猛地插入两部之间狭窄的缝隙，在沙家店地区伏击整编三十六师。西北野战军的部署是：许光达的第三纵队并指挥绥德军分区第四、第六团进至当川寺南北的高地，牵制钟松的第一梯队，并阻击刘戡可能的增援；王震的第二纵队和教导旅、新编第四旅进至东沟、高家疙塔、宋家井地域，攻击钟松的第二梯队；张宗逊的第一纵队在高柏山、老虎疙塔地域，由西南向东北方向实施攻击，先配合第二纵队打钟松的第二梯队，然后集中兵力打其第一梯队。
大雨滂沱。
陕北是中国著名的干旱地区，连日不断的瓢泼大雨令当地百姓十分惊异，认为雨水是共产党带来的——“胡宗南是旱老虎，共产党是及时雨。”
但是，雨下得太大了，四野汪洋，山洪暴发，向预定战场开进的官兵步履维艰。更严重的是部队已断粮多日。西北野战军之所以兵力很少，与中国西北地区无法养活大军有关。部队作战时，让彭德怀最感困难的还不是敌众我寡，也不是弹药缺乏，最要紧的是官兵们吃什么。连续的转战，各部队携带的粮食已消耗殆尽。听说有个部队连黑豆都没有了，年近五十的彭德怀让警卫员把自己仅有的四斤小米送过去，他自己则以粗糠和压碎了的黑豆充饥。陕北的贫苦百姓曾倾尽全力支援共产党军队作战。民兵封锁道路，埋设地雷，组织担架队，老人、妇女和孩子们把家里能吃的南瓜土豆都拿了出来。担架队里有个叫金有发的青年农民，父亲是陕北的老红军，一九三五年红军东征时战死在黄河边，弟弟刚刚参军，几天前攻击榆林时死在了城墙下。金有发参加担架队上前线后，他的妻子把自家藏在山里的十几斤谷子挖出来，连夜推碾子磨米。小米碾好的时候，发现背上的孩子已经饿死了。女人把孩子的小尸体埋在草丛中，背着小米循着枪声找到了部队。彭德怀知道后眼泪汪汪：“没有老百姓，哪有中国革命？边区人民对我们恩德如山，咱们要惜民命，再也不能增加人民的负担了！哪怕是杀马杀骡子吃，也要坚决打好这一仗！”
二十日，彭德怀发布歼敌动员令：
彻底消灭三十六师，是我西北战场由战略防御转入战略进攻的开始；收复延安解放大西北的开始。为着人民解放事业，继续你们无限勇敢精神，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！
拂晓，攻击在瓢泼大雨中开始。
一纵和二纵首先将整编三十六师师部和一六五旅包围在沙家店地域，随之发动了猛烈的攻击。不是说彭德怀部主力连同共产党首脑机关已经退到黄河边，正在仓皇渡河吗？钟松对突然遭到攻击有些不知所措，立即命令部队在泥沟以北、张家坪以东迅速构筑防御工事进行抵抗，同时急令前面的第一梯队一二三旅迅速向沙家店靠拢。
乌云低垂，大雨时断时续，天昏地暗之中，西北野战军的攻击异常凶猛，一六五旅各团没来得及筑起工事，西北野战军官兵已经冲到眼前了。钟松不断地催促一二三旅赶快靠拢，可就是不见一二三旅的影子。战斗持续到黄昏时，一六五旅待援无望已斗志全无，官兵在泥泞中跑得满山遍野都是，西北野战军官兵忘记了肚子空空，大叫大喊地追击着，喊声和雨声混合在一起让钟松听起来毛骨悚然。天黑了，钟松终于意识一切都完了。他和一六五旅旅长李日基脱下军装，换上早就准备好的老百姓的衣服，准备丢下部队独自逃离战场——至少李日基旅长有着丰富的逃亡经验，十二年前的一九三五年七月，工农红军准备穿过大草地北上甘南时，李日基奉胡宗南之命前往草地边缘的毛尔盖阻击红军。那时他是西北补充旅一营营长。在遭到红一军团二师四团的攻击后，李日基砸了电台带领少数士兵开始逃跑，在原始森林中流浪了数日之后，才得以回到松潘县城——这一次，他和钟松师长再次在大雨和黑夜的掩护下成功逃脱，但是他们的部队彻底垮了。
一二三旅旅长刘子奇是个心事重重的军官。当时，他的旅距离师部约十五公里的路程，之间需要经过几座山梁和几道沟壑。刘子奇认为，如果没有侧翼的保护，又是夜晚，贸然回援沙家店凶多吉少。可是，师长的命令又不能不执行。在与参谋长罗秋佩商量之后，决定先把配属他指挥的一六五旅四九三团派回去——他们的旅受到了攻击，有什么理由不去解救？至于自己的一二三旅，等天亮以后再行动不迟。第二天拂晓六点，一二三旅出发了。夜里先出发的四九三团已经到达乌龙铺南面的山梁，一二三旅主力刚刚通过乌龙铺，刘子奇听见了沙家店方向传来的密集的枪炮声。刘子奇立即开会研究，最后决定离开前面的四九三团，抄近路直接向攻击三十六师师部的左翼前进，以三六八团为先导，先行抢占常高山制高点，以掩护主力推进。
三六八团对常高山的攻击，立即遭到西北野战军的阻击，阻击部队是新编第四旅七七一团的一个营。这里是彭德怀部攻击整编三十六师师部的侧面，战前没有料到一二三旅主力会跨越山梁直接增援，如果让一二三旅从这个方向突进去，战场局面就会朝不利于西北野战军的方向陡转。于是，阻击一二三旅的战斗突然成为能否全歼整编三十六师的关键。七七一团一个营的官兵死守阵地，一次又一次把冲锋的国民党军压下去。刘子奇旅长也知道这里是战场的薄弱地带，遂命令部队反复冲锋，显示出坚决突破的决心。但是，反复冲锋都未能奏效。刘子奇突然发现，西北野战军有从他的两翼延伸战线的意图，于是命令三六七团派一个营到左侧山梁担任掩护。这个营刚一爬上山梁，就遭到隐蔽在那里的西北野战军的袭击，营长当场死亡，其余官兵除死伤之外立即全部跑散了。中午的时候，刘子奇与师部的联络中断，他猜想师指挥所可能受到攻击，于是提出是不是可以撤了？谁知，三六七团团长同意撤退，三六八团团长不同意。刘子奇知道两个团长争吵的原因：如果撤退，三六八团必须担任掩护全旅的任务，这个团的团长怕一旦掩护完毕自己却撤不下来，于是坚决主张要死大家一块死。争执不下之际，胡宗南的电报到了：“固守待援，将派飞机参加战斗。”
刘子奇只有指挥一二三旅拼死攻击了。
这时，罗元发率领的教导旅出现在常高山附近。
教导旅的任务是从常高山以西新编第四旅与二纵之间的战斗缝隙插进去，配合二纵攻击钟松的整编三十六师师部。他们到达这里的时候，罗元发旅长发现情况十分紧急，绝不能让一二三旅从这里突过去。他立即命令二团团长王季龙带部队冲上去，抢占制高点，配合新编第四旅的阻击。罗元发爬上常高山，在山顶上找到了指挥作战的七七一团副团长，两人商量了一下，决定教导旅从右翼出击，不但要阻击住一二三旅，还要将它包围吃掉。
教导旅主动改变预定作战计划，并勇敢地承担起更为艰巨的作战任务，成为沙家店战役取得最后成功的重要因素。
此时，刘戡的部队距离整编三十六师仅十几公里。虽然他在电报中说他的五十五旅已经“就近来援”，而他本人则亲率主力“继后即到”。但是，他派出的部队始终没能突破许光达率领的第三纵队的阻击线。
十九日下午，对一二三旅的最后攻击开始了。
战后刘子奇回忆道：
解放军由正面和右侧同时发动反攻，以压顶之势从两面高山杀下，向整第一二三旅全线阵地猛冲，有的阵地被轮番连续冲击发生白刃肉搏，死伤枕藉，干部伤亡很多，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。派往后面掩护并与援军联络的一个加强排也无踪无影。在战斗紧张时候，虽由西安派来三架次飞机参战，投下几枚小炸弹，对解放军丝毫没起作用。首先第三六八团阵地全部被毁，团长失踪，官兵没退回一人。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这块狭小的阵地上，更显得锐不可当。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拥来。这时候我看到前途已经绝望，立即带着残部突围，多次冲击俱未成功，混战到将近黄昏时，终于全军覆灭。
刘子奇突围未成被俘。
沙家店一战，西北野战军毙伤国民党军整编三十六师两千余人，俘虏四千余人，总计六千余人。西北野战军伤一千四百三十五人，亡三百七十九人，失踪二十五人，总计一千八百三十九人。
沙家店战斗在危急的情况下扭转了西北战局，基本改变了西北战场上的敌我形势。战斗结束后，毛泽东、周恩来和任弼时一行亲临沙家店战场，毛泽东对官兵们说：“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。”
是夜，胡宗南在日记中写道：
本夜作战会报判断匪以全力攻三十六师师部，其对五十五、一二三、一六五各旅皆为牵制隔绝，使眩感于眼前形势，不敢奋进，使三十六师师部陷于孤立而被消灭。夜不能睡。