脾气，“牵牛”进口袋。牛元峰果然中计，他在6架飞机掩护下，于20日中午占领直罗镇。这家伙一进镇子，就狂妄地命令配属其他师的六三二团归属于他手下指挥，并向五十七军军部报捷。他的士兵也是兴高采烈，在直罗镇大抢大刮了一通米面和猪羊鸡鸭后，大吃大喝，搞得乌烟瘴气。酒足饭饱之后，竟放心地睡起大觉来。

    时机已到。天黑之后，红军将敌四面包围，天刚亮，即发起了攻击。两路红军如两只铁拳，从南北两面的高山上砸了下来。另以一部分部队直插黑水寺，堵住敌军退路，并牵制黑水寺之敌。红十五军团的七十五、七十八两个师从南山和东南向直罗镇进攻，阻敌东逃。战斗打响后，红军攻势如排山倒海，锐不可挡。牛师虽有防备，但未想到已成瓮中之鳖，因此猝不及防。

    牛元峰从梦中被枪声惊醒，发觉已被包围，急向军部求救，但电话已被切断。

    急令士兵顽抗，红军已冲下山来。敌军向南遇到枪响，返身向北撤，向北碰到排枪，又返身往南撤。如此在一条川谷中左冲右突，狼奔豕突，溃不成军。

    山谷中到处是枪声、手榴弹爆炸声和喊杀声。战至2小时，红军两路合攻部队已将敌军分割成碎块，占领了镇中敌师部所在地，敌军大部缴枪投降。但是牛元峰率1营残部逃到镇东小寨子里，修筑工事，负隅顽抗，不肯投降。

    镇东小寨堡虽被红军战前拆毁，但地形险要复杂，易守难攻。加之敌军昨天来后，抓紧抢修，有部分恢复。红十五军团第一次猛攻没有成功。正待第二次猛攻时，周恩来副主席指示暂缓攻击，围而不打，待敌绝粮断水后突围时再予消灭。

    这一手真灵。小寨堡虽然可以防守，但既缺粮，也无水。牛元峰待援无望，于半夜开始向西突围逃跑。红十五军团战士一气“追牛”25里，将牛元峰残部1个营全部歼灭。当红军迫近时，牛元峰将腰上勃朗宁手枪拿出，试了几次，不敢向自己的脑袋开枪。于是，把枪交给副官，叫副官从后脑开枪。

    副官遵命照办，这头野“牛”面颊炸碎而死。

    与此同时，从黑水寺和鄜县（今富县）方向来援的敌军先是遇红军阻击不能前进，后又惧怕被歼仓皇逃跑。红军阻击部队乘胜追击，扩大战果，歼敌后卫部队之一部。敌军退到太白镇和梆县固守不出。红军针对东北军的国恨家仇，开展了政治攻势，瓦解敌军。提出了“宽待东北军！”“欢迎东北军掉转枪口打日本！”的口号，并将俘虏教育后放回，还与部分爱国将领进行了接触、谈判，达成了一些默契，为尔后的西安事变，兵谏反蒋奠定了基础。

    直罗镇一仗，全歼敌一零九师和一零六师1个团，毙伤敌师长以下1000多人，俘敌5300多人，缴获步枪3500余支，轻机枪176挺，迫击炮8门，无线电台2架，子弹22万余发，大大地补充和改善了红军的武器装备。又教育和释放了大批俘虏，并且粉碎了敌军对陕甘苏区的第三次“围剿”，巩固和扩大了陕北苏区。

    直罗镇之战是“给党中央把全国革命大本营放在西北的任务，举行了一个奠基礼”。