困守长治，渴望援军解围的史泽波，初闻阎军2万援兵南下消息的时候，曾向部属转发过阎锡山从太原发来的所谓“上党必争，长治必守，援军必到，叛军必灭”的电令，想借此稳定军心，也给自己壮胆。史泽波曾组织“敢死队”拼命突围达17次之多。当援军被我歼灭后，长治之敌成了惊弓之鸟，完全丧失了坚守的信心。
为了保存实力，阎锡山又急令史泽波趁我军主力尚未南返之时，赶快撤离长治向西突围，企图横穿我太岳区逃回浮山、翼城。
10月8日黄昏，史泽波趁着大雨浓雾，偷偷弃城向西逃窜。然而，敌人的这一步棋，早在刘邓意料之中。为全歼长治之敌，在敌军刚刚弃城西逃之际，我军即在打援部队中组成了2支精干部队对其平行追击。这便开始了上党战役的第三阶段，追歼逃敌。
太行纵队的2个团不顾疲劳一路尾追，于10月10日在沁水县的香沟率先追上了敌人的后卫部队，激战1小时后，俘敌700余人，把敌人的尾巴吃掉。然后追到大庙庄地带，咬住了敌人的主力部队，又在大庙庄和敌人展开了激烈的战斗。
与此同时，远在襄垣的太岳纵队亦接到命令，要他们赶到东峪，西峪一带截住敌人。太岳部队随即从土落村出发，用最快的速度，沿吾元、张店急进。当他们赶到东、西峪时，不料敌人已经过去了，于是部队又兵分三路：21团走梁山、20团和38团走山谷、772团单独沿张店、将军岭、马壁一线绕大弯子插过去。终于在沁水县的桃川附近堵住了敌军的逃路。10月10日，772团和敌人在将军岭交火，太岳部队其余3个团也于11日拂晓在佛庙岭投入战斗。此时，在大庙庄和敌人激战的太行纵队也尾随而至，敌人被包围、压缩在桃川一带。
10月12日下午3时，我军发起总攻，只用3个小时就结束了战斗，敌军除少数先头部队逃跑外，大部被歼，连史泽波在内的近万名官兵都当了俘虏。至此，历时30余天，共歼敌13个师、3.5万余人的上党战役胜利结束，除沁县外，晋东南地区全部解放。
战后，我太岳纵队司令员陈赓将军接见了史泽波军长，向其交代了党的俘虏政策，并问他：“你认为你们这次战败的原因是什么？”败军之将史泽波感慨道：“抗战8年中，贵军在上党地区和日军作战，日本投降后，我们来抢占地盘是不对的，不过没想到失败得这样快，真是天助你们！”陈赓将军回答说：“你讲对了！《水浒传》上说梁山泊好汉们‘替天行道’，我们也是‘替天行道’，我们的‘天’，就是人民。我们依靠人民打败了日本侵略军，也依靠人民打败了你们。历史证明，与人民作对，必然要失败！希望你今后能为反对蒋介石、阎锡山发动内战作些贡献。”
这些话深深触动了史泽波的心，我党的俘虏政策也给了他生的希望，后来他领衔联合上党战役被俘的高级将领发通电揭露了蒋阎挑起内战的罪行。