冀南纵队已经攻占了屯留、潞城、长子、壶关等五座县城，扫清了长治外围据点，切断了长治与太原、平遥的联系，将阎军史泽波部万余人团团包围于长治一隅。

    9月27日，刘伯承、邓小平发布晋冀鲁豫军区作战字第六号命令，决定对长治发起总攻。

    长治为上党地区的首府，原是日军的一个重点设防城市，城墙高约3丈，城外壕沟纵横，碉堡林立，工事坚固，加之连日大雨，道路泥泞，部队运动困难。开战以来连续五易指挥位置，足迹遍及长治四周的刘伯承、邓小平据情决定，由东、南、西三面攻城，虚留北关，诱敌突围，于野战中歼灭之。

    一切按照预想顺利展开，长治守敌已成瓮中之鳖。突然，情况发生了变化。阎锡山派出的援军气势汹汹地压了过来。

    敌变我变，刘邓当即变更部署，改攻城为围城打援，于9月28日颁发晋冀鲁豫军区作战字第七号命令，按照佯攻长治、围城打援之方针，在援敌进至常隆、上村镇一带时，坚决于野战中将其歼灭，并同时消灭可能自长治出城接应或突围之敌军。

    雨夜，太行纵队全部和太岳纵队主力，悄悄撤离长治，兼程北上伏击援敌。留下的冀南纵队、太岳纵队一部及地方兵团伪装主力，为吸引援敌继续南下，把围攻长治的战斗打得热火朝天。

    然而，已经将指挥位置前移到黄辗镇的刘伯承发现原先的情报不确，敌援军不是3个师7，000余人，而是国民党第7集团军副总司令彭毓斌率第23军、第83军及省防军等8个师、2个重炮团，共2万余人。刘邓再一次调整部署：暂时放弃攻长治城，急调冀南纵队主力北上投入打援，并要他们白天行军。这样，一来可以稳住长治国民党守军，让他们以为我军撤围了，不至于弃城逃跑，二来可以加快行军速度。

    10月4日一天急行军，陈再道率部队到达磨盘脑山下的指定位置。与司令部接通电话后，刘伯承告诉陈再道：“长治这块骨头先不啃它，咱们先吃掉眼前这块肥肉。陈赓在老爷岭、陈锡联在磨盘脑已经按住了敌人的两条腿，你赶快率部队从中间大道往北插，掏敌人的卵子。”

    10月5日，我军开始总攻。太岳纵队不惜一切代价攻占老爷岭，太行纵队也如期控制了磨盘脑。敌人果然军心动摇，于夜间向北突围。我军各部队从正面、侧后猛烈穿插，敌人不久即溃不成军，四处逃窜，纷纷缴械投降。战至6日黄昏，敌除2，000人逃回沁县外，其余全部被歼，一路扬言“上党必争，长治必保”的敌副总司令彭毓斌被击毙，数十名高级军官束手就擒。

    援军被歼，长治守敌惊惶失措，彻底无望，于10月8日弃城突围。一出城才知道，他们已经陷入了人民战争的汪洋大海。后面，是围城部队的跟踪追击，前面是刚刚歼灭了援军的胜利之师的勇猛堵截，而两翼则是地方兵团和民兵武装的奋力兜击。

    “拼命抓住敌人！”刘邓一声令下，四面八方的部队潮水一般将敌包围于沁河以东的将军岭及桃川地区并予以歼灭，蒋介石为“摘桃子”伸过来的第一只爪子——国民党第8集团军副总司令兼第19军军长史泽波被生擒。

    至此，上党战役胜利结束。晋冀鲁豫军区部队歼灭敌13个师及1个挺进纵队共3.5万余人，缴获山炮24门，轻重机枪2，000余挺，长短枪1.6万余支。

    上党的砝码重重地压在重庆的谈判桌上，加强了中共在重庆谈判中的地位。蒋介石闻讯，如同挨了一记闷棍，心中十分恼火。为了对付舆论的谴责，他欲盖弥彰，将责任全部推卸到阎锡山的身上：“这是阎锡山自己作主干的事，中央并不知道。”

    毛泽东听说上党大捷的消息后，高兴地对身边的人说：“打得好！打得越大越胜利，我们回去的希望就越大。”