8月18日3时30分，彭德怀发布“以伏击姿态歼灭该敌36师”的命令。命第3纵队（并指挥绥德军分区两个团）以一部兵力吸引钟松的前梯队，以主力抗击刘戡所部，阻止该敌与36师会合。集中1、2纵两个纵队和教导旅、新4旅，先歼灭36师的后梯队，再歼其前梯队，以达各个歼敌之效。
当天上午，野战军主力与敌交锋，因天降大雨，敌之后梯队仓皇撤至沙家店地区。
当日晚，野司接电报得知，葭芦河因大雨水涨，不能徒涉，毛泽东和中共中央机关无法向北转移，改为向西北方向冒雨行进，尚未脱离险境。彭德怀用手指在地图上估量着两路敌军相距的里程，板着脸一言不发。他坐坐站站，对着地图沉思。作战值班室里鸦雀无声。参谋们进出窑洞，都是轻手轻脚，生怕打扰了他运筹歼敌的思路。彭德怀要参谋通知部队，继续严密监视敌人，一有情况，立即报告。这几天，他每天只喝几口小米粥，很少睡眠。
18日战斗后，刘戡并未增援钟松而是率主力5个旅继续北进。19日占领神泉堡和葭（佳）县城。钟松率整编36师师部及165旅，在沙家店附近高地构筑野战工事。这时钟松发现西北野战军主力并未渡河，而在他部队的附近，急电其前梯队123旅回撤沙家店。彭德怀分析两部敌军态势，判断敌军并未摸到西北野战军意图，决心仍先行歼灭第36师。同时，适当调整了部署，以新4旅抗击回援之123旅。
19日戌（19-21）时，彭德怀报告中央军委：“拟于明号（天）拂晓包围沙家店附近敌之两侧而歼灭之。得手后逐次向东北各个歼击之。”20日3时，毛泽东亲拟中央军委复电：“完全同意你对36师的作战计划。”毛泽东和中央机关是在19日转移至“镇川堡正北80里之梁家岔地区（老苏区）与主力会合”的，从而结束了自小河出发以来19天的长途艰险行军。中央在8月21日特电告中央工委、中央后委及各战略区说：“大家都安全”，以解除各方的挂念和忧虑。
8月20日拂晓，第1、第2纵队向整编36师发起攻击。该师第123旅为解其师部之围，由乌龙铺折回。午后被野战军教导旅和新4旅包围于常家高山附近。彭德怀命令：坚决把123旅消灭掉，不能让它往西靠近。就这样，整编36师的两个旅被分割两地，全部被包围，前后两个梯队无法相顾。
为了在刘戡赶到之前迅速消灭被围之36师，彭德怀发出了歼敌动员令：“彻底消灭36师，是我西北战场由战略防御转入战略反攻的开始，收复延安解放大西北的开始。”要发扬无限英勇的精神，“立即消灭36师，活捉钟松，号召你们本日黄昏以前胜利完成战斗任务”！全军振奋，斗志昂扬，向钟松师展开猛烈冲杀。
胡宗南接到钟松的呼救电报，即令刘戡增援。又急电123旅旅长刘子奇：“固守待援，将派飞机参加战斗。”刘戡也致电钟松：“已令55旅就近来援，主力继后即到。”但是刘戡所率主力被我第3纵队及绥德分区的4、6团奋力阻击，难以前进。连他的警卫部队也一度被冲散。直到黄昏前，距离钟松的阵地还有30多里。孤军突进的整编36师，如今只能孤军作垂死挣扎了。
骄横一时的钟松，盼援军无望，暴跳如雷。眼看形势急转直下，阵地相继丢失，电台亦被击毁，各方联络断绝，他便和165旅旅长李日基等人换衣化装，乘黑夜逃跑。野战军经过激战，当天黄昏歼灭了整编36师师部及两个旅，共6000余人，俘旅长刘子奇。