一军团（由红军陕甘支队编成）林彪任军团长，聂荣臻任政治委员，左权任参谋长，朱瑞任政治部主任，罗荣桓任政治部副主任。下辖第二师（师长刘亚楼、政治委员肖华）、第四师（师长陈光，政治委员彭雪枫）及直属笫一团（团长朱水秋、政治委员黄振堂）。

    第十五军团（由西北红军主力兵团和红二十五军组成）；余海东任军团长，程子华任政治委员，周士弟任参谋长，郭述申任政治部主任，冯文彬任政治部副主任。下辖第七十五师（师长张绍东、政治委员赵凌波）、第七十八师（师长杨森、政治委员张明先）、第八十一师（师长贺晋年、政治委员张达志）。

    此时，原陇东的红二十六军部队被整编为红十五军团七十八师。红二十六军笫四十二师的红二团、红三团、骑兵团及西北抗日义勇军被整编为二三二团、二三三团、二三四团和骑兵团。红一团仍留用在陕甘边南区坚持游击战争。因此未能参加整编行动。

    这时，敌东北军又掉六个师的兵力，分两路向陕甘根据地大举进犯。东边六十七军之一一七师沿洛川、鄜县北上西面五个币，即东北军五十七军一0九师、一一一师、一0八师、、一二0师、一0六师，从甘肃庆阳、合水一带沿葫芦河东进企图在鄜县地区夹击红军。党中央和毛泽东正确地分析了反“围剿”的形势，决心由甘泉向南作战。诱敌深入，集中兵力，首先歼灭敌西路沿葫芦河进攻的一至两个师，继之视情况转移兵力各个歼灭敌人，以打破敌人的“围剿”；尔后向洛川、中部（今黄陵）、宜君、宜川、韩城及关中、陇东一带发展，扩人根据地和红军。作战计划是：将敌放进直罗镇，乘敌立足未稳。集中红军兵力。采取侧击、包围、突然攻击的战法。歼灭突入之敌；得手后再歼灭敌后续部队。为保证在直罗镇歼敌，以红十五军团第八十一师的第二四一团继续围攻甘泉城，以调动敌人东进；以二四三团在鄜县西羊泉镇，牵制鄜县、中部之敌西援，保证直罗镇歼灭战的胜利。

    直罗镇位于鄜县西南，距鄜县约120华里，三面环山，一条从南到东的大道穿镇而过。镇子的东头，有一座古老的小寨，里面的房屋虽然倒塌，石头砌成的寨墙基本完好，镇子的北半面，是一条流速缓慢而平静的小河。河川南北两侧是高山，山顶多灌木。山坡多乔木森林，便于屯兵隐蔽。这样的地理条件，对红军作战十分有利。

    为了保证直罗镇战斗的胜利，毛泽东和彭德怀亲临直罗镇观察地形。决定以红十五军团主力隐蔽埋伏在直罗镇的南山，并以一部分兵力隐蔽在直罗镇与黑水寺之间的张家湾南山，当敌进入包围圈后，即截断敌人的前后联系。以红一军团主力隐蔽埋伏在直罗镇北山，并以部分兵力隐蔽在张家湾北山，准备阻击敌军增援部队，追击溃逃之敌。红一方面军指挥所设在直罗镇北山的宝塔一带。按照统一部署，红一军团和红十五军团主力立即在直罗镇一带隐蔽集结，进行战前的准备工作。红军情绪高涨，以逸待劳，决心打好会师后的这一仗。

    11月20日下午，敌一0九师牛元峰部在六架飞机的掩护下，果然到达直罗镇，落入红军的“口袋阵”之中。当天傍晚，毛泽东一声令下，红一军团从北向南，红十五军团从南向北，向敌人展开了全线进攻，在拂晓前，红军将敌一0九师紧紧合围在直罗镇。天刚亮，两路红军就象两只铁拳，砸向敌军，顿时冲锋号声此起彼伏，响彻了东方朝阳中的大地，红军战士在冲锋号中飞身跃进和冲入敌人的阵地，步枪声、机枪声、手榴弹声，汇合成轰轰隆隆的臣大声响震动着大地。敌人遭此突然打击，晕头转向，指挥失灵，建制混乱，被紧紧夹在梁山之间的川道里，失去了抵抗力。经过不到两个小时的激战，红军攻占了敌一0丸师师部所在地直罗镇，大部分敌军被歼灭。只剩下敌师长牛元峰率残部逃到镇东头那个小寨里