刘邓大军要打长治了。长治曾是日军第36师团的驻地，是一个重点设防的城市，城墙高3丈有余，城外深沟高垒，工事坚固，加之连日来秋雨连绵，地面泥泞，部队爬城战斗极为不便。
这时刘伯承、邓小平心中十分焦虑。预定上党战役只能打1个月，现在已经打了将近20天，如果长治城久攻不克，则平汉、同蒲大门洞开，到那时麻烦就大了。
9月20日，刘邓下令：“决心以勇猛、迅速之作战，夺取长治城，最后歼灭侵入上党之敌。”
22日，刘邓把他们的指挥部设在长治城东南10里的北天河村。同时命令各部队于24日黄昏前，完成环城电话线的敷设。自打屯留开始，从9月10日到22日，刘邓已经五易其指挥位置，足迹遍布长治城的四周。
熟谙兵法的刘伯承打上党的排兵布阵非常有意思：把太行纵队摆在正南，以太岳纵队为左手，摆在西北，以冀南部队为右手，摆在东南面。
那么北面怎么办呢？
原来，这又是一个口袋阵，一个欲擒故纵的架势。这次打长治，刘伯承的打法是“围三阙一”，围攻其东西南三面，阙其北面，虚留生路，暗设袋口。如果阎锡山来援，或者史泽波顶不住强攻向北突围，都符合他的设想。
9月24日，刘邓部队已攻占城关多处，并定于当晚开始攻城。这时，阎锡山吃不住劲了，派兵增援来了。前方情报报告：阎军3个师7000人，正沿着白（圭）晋（城）线南下，已达子洪镇以南，判断是增援长治。
正在北天河村指挥作战的刘伯承接到报告后大喜，紧锁多日的双眉一下子舒展开了。他对邓政委说：“好，送上门来了。”
刘伯承走到作战地图前，仔细测算从子洪镇到长治的时间。他又一次陷入了沉思：究竟是先攻城呢，还是先打援？
先攻城吧，担心援军攻我腹背；先打援呢，又怕长治之敌出逃。
在决策的那一念之间，稍有不慎，即会满盘皆输。
整整4天，刘伯承一直思考、权衡。同时，他也在观察，看援军的行动。让他百思不得其解的是，阎的援军为什么行进得这么慢？每天只不过走二三十里路程。
9月28日，刘伯承终于定下决心：先打援敌。他和邓小平交换了意见，邓小平赞同道：“只能先顾一头，两头都顾，一头也顾不上。”
当日，刘邓下达《晋冀鲁豫军区作战第七号命令》，规定：在援敌进至常隆、上村镇一带时，坚决于野战中消灭之，并同时消灭可能自长治出城接应或突围之敌。
刘伯承命令，陈再道指挥以冀南纵队为主力的1万余人部队继续攻城。当然，是佯攻，而且声势越大越好；打援部队分左右两翼，右翼由李达和陈锡联指挥，以太行纵队为主力，兵力约1万人；左翼由陈赓指挥，以太岳纵队为主力，兵力也在万人左右。
命令刚刚下达，刘邓忽然接到前方侦察部队报告：原来援军不是3个师7000人，而是5个师1.2万余人。
刘邓不为所动，仍决定以1万人攻城，2万人打援。打援的决心和阵容不变。
次日晚，刘邓将其指挥位置转移至黄辗镇，以便于指挥部队打援。
但这时援军又改道了，在与我接触后，在老爷山、磨盘垴据守，不走了。
刘伯承心想，这倒不是坏事，因此就势又设了一个口袋阵：以陈锡联为右翼，陈赓为左翼，强攻老爷山、磨盘垴，在北面来路上放开一个口子，虚留生路，改右翼队的第17师和独立支队（第30团）尾敌援军后，在敌逃跑时将其截住歼灭。这样还有一个好处，就是不让援军和长治守敌联成一体。
部署妥当，刘邓的指挥部第7次位移，由黄辗镇前移到西北的中村。
10月2日，打援主力在预期地区与阎锡山的援军遭遇。阎军的火力很强，而刘邓部队的弹药奇缺，因此轻易不敢开枪。
这日夜，刘伯承由李达和陈锡联陪同，到前线部队视察。刘伯承听到前线枪声特别稀疏，不禁愣了一下：大兵团作战枪声不该是这样的呀？陈锡联道：“现在子弹太少了，每个老兵才5发子弹。大家都在想办法抓俘虏，抓1个俘虏可以得到200多发子弹。他们每人携带300发子弹，100发自己用，200发送到长治。”
刘伯承听了高兴道：“怪不得敌援军走得这么慢呢，原来是负担太重啊。好，消灭这股敌人油水还不少呐。”
激战两天，刘伯承又大吃一惊。
原来前两次的情报都不准。阎锡山派来的援军既不是7000人，也不是1.2万人，而是8个师附两个炮兵团，共2万人。总指挥是第7集团军副总司令彭毓斌、副总指挥是第2战区炮兵司令胡三余。
又一次节外生枝。2万对2万，装备悬殊又这样大，这仗如何打？
时间不允许他们犹豫了。刘邓当机立断，改变部署，从长治1万围城部队中，调陈再道冀南纵队6000人火速赶来，投入打援战斗。
刘伯承举重若轻，在此十万火急之时，在给陈再道打电话下达命令时，竟是以玩笑的口吻对陈再道说：“长治这块骨头先不啃它，咱们先吃掉眼前这块骨头。陈赓在老爷山，陈锡联在磨盘垴，两人已经按住了敌人的两条大腿，你赶快从中间大道往北插。援敌已陷入四面包围，很快要发动总攻，你尽快准备出击。”
“口袋阵”依然不变，仍在北面给敌人留个口子，以防敌人作困兽之斗。
10月4日，刘邓第8次将指挥部前移至太平村，以便直接指挥老爷山、磨盘垴两处的打援战斗。
经过激战，到10月6日晚，阎锡山的2万援军除约2000人逃到沁州外，悉数被歼。总指挥彭毓斌被打死，副总指挥兼炮兵司令胡三余、第46师师长郭溶、第49师师长张宏、第66师师长李佩膺等数十名高级军官束手就擒。