中國工農紅軍三大主力在西北集結會師的趨勢，讓蔣介石惱羞成怒，快速調動幾十萬國民黨軍隊，親自部署軍事上的大規模「圍剿」。首先是組織「通渭會戰」，指令胡宗南部、王均部、關麟征部、毛炳文部、東北軍于學忠部、王以哲部、董英斌部，向西蘭大道地區集結，打擊紅軍主力，堵截紅軍西渡黃河，確保河西地帶安全。其次是集中大軍，採取穩紮穩打、步步為營的戰術，在100架新式戰鬥轟炸機配合下，企圖將紅軍主力壓迫至黃河以東、西蘭大道以北地區，予以全部消滅。
對於蔣介石的「通渭會戰」計畫，張學良及時通報給了定都在志丹的中共領導人。中共中央和中革軍委及時徵求各方面軍領導人的意見後，於10月11日及時向全軍發布了《十月份作戰綱領》，決定提前執行寧夏戰役，要求在11月10日前做好休整訓練，完成進攻寧夏的各項準備：四方面軍以一個軍迅速造船，選擇渡河地點，準備渡黃河進入寧夏。攻打寧夏部隊以紅一方面軍的西方野戰軍和紅四方面軍三個軍組成。紅二方面軍等部組成對南面國民黨軍的防禦部隊。同時，中共中央決定，朱德、張國燾分別以紅軍總司令、總政治委員名義，組織指揮三個方面軍的軍事行動。
《十月份作戰綱領》發布後，紅四方面軍總部確定：由李先念的紅三十軍在靖遠一帶秘密造船，偵察渡河點，籌辦渡河事宜；紅九軍隨之迅速跟進；紅四、紅五、紅三十一軍沿會寧、通渭、靜寧一線，形成梯次，抗擊國民黨胡宗南、毛炳文、王均、關麟征等部的進攻；
10月16日，蔣介石下達「進剿」命令。10月21日，胡宗南部、毛炳文部、王均部組成三角，直撲紅四方面軍主力。
10月22日，蔣介石由南京飛抵西安，督促東北軍、西北軍參戰。
這一天，西北戰事異常激烈，紅五軍在會寧一帶激戰兩晝夜，遭到7架敵機的轟炸，傷亡800多人，副軍長羅南輝在華家嶺戰鬥中犧牲。國民黨其他部隊藉助飛機優勢，兇猛推進。紅四方面軍在長徵結束之時還沒有得到休整，面對國民黨重兵進攻，只能疲憊迎戰，拼力相搏，幾番交鋒，防線失守，軍事形勢十分嚴峻。
10月23日，朱德、張國燾率紅軍總部和彭德懷率領的西方野戰軍總部在打拉池會合，商討寧夏戰役的部署。隨之，朱德、張國燾電令紅三十軍首先渡河，紅九軍跟進，打開河西戰局，策應紅一方面軍；當晚，紅三十軍先頭部隊開始渡河，因為事先未偵察清楚河道情況，渡船遇到淺灘受阻。25日凌晨，紅三十軍在虎豹口偷渡成功，突破黃河天險，後續部隊立即搶渡，並迅速摧毀馬家軍沿河防線，控制了上百里的沿河地帶。
10月25日，中革軍委致電紅軍總部和紅一、紅二、紅四方面軍領導人，提出了具體部署，特別指出：「根據敵向打拉池追擊及三十軍已渡黃河的情況，我們以為今後作戰，第一步重點應集中注意力於擊破南敵，停止追擊之敵。我處南北兩敵之間，北面作戰帶陣地戰性質，需要準備至兩個月時間，不停止南敵，將使爾後處於不利地位。第二步重點集注意力於向北。並部署了作戰行動。」
10月26日，毛澤東、朱德、張國燾、周恩來等46人聯名發出《紅軍將領給蔣總司令及國民革命軍西北各將領書》要求：「立即停止進攻紅軍並與紅軍攜手共赴國防前線，努力殺賊，保衛國土，驅逐日寇，收復失地。」並提出：「不論諸先生派代表進來，或要求我們派代表出去，或即在前線上談判，我們都願接受。只要內戰一停，合作門徑一開，一切談判都將要在抗戰的最高原則之下求得解決。」
也是這天，毛澤東致電彭德懷：「（一）國燾有出涼州不願出寧夏之意，望注意。（二）目前以打胡敵、取定遠營兩著為最重要。（三）三十軍佔領永登是對的。九軍必須占定遠營，這是接物攻寧的戰略樞紐，不應以一方面軍去占，不便利，又失時機。（四）四、五、三十一軍，二方面軍，應以打胡為中心，僅抗擊不夠，打法可采誘敵深入。（五）一方面軍速集結同心城休息。」
這時，胡宗南第一軍先頭已進至硝河城地區，向海原、打拉池出動。王均和毛炳文部隊也快速推進。這時，蔣介石接連看到西部前線的勝利捷報，以為紅軍已經在圍剿中潰不成軍，正慌忙向西撤退，恰是完全消滅紅軍的好機會。於是，命令各部疾進，乘勝追剿。
中革軍委為了阻止南線敵人的猛烈追打，加強三個方面軍的協同作戰，在10月28日任命彭德懷為前敵總指揮兼政治委員，劉伯承任參謀長，準備組織海（原）打（拉池）戰役，重點打擊蔣之嫡系胡宗南部。10月30日，彭德懷下達了《海打戰役計畫》，意在遏制和擊破胡宗南部的進攻，為寧夏戰役創造條件。可是，擔任重要作戰任務的紅四方面軍的三個軍，由於敵軍阻擋，無法按時到達指定位置，使紅一方面軍主力右翼暴露在敵人面前。在此情況下，中革軍委不得不放棄海打戰役計畫。
11月1日，前敵總指揮部迅速作出了奪取寧夏計畫的新部署。然而，敵人大軍推進，打通了增援寧夏的通路，加之河東紅軍主力與河西徐向前、陳昌浩指揮的3個軍聯絡被隔斷，導致寧夏戰役計畫也無法執行。
11月8日，中共中央根據戰局新情況，提出了新的戰略計畫設想，主要內容是：三個方面軍主力11月份繼續在現地區作戰，並以一部兵力佯示紅軍欲渡黃河，引敵北進。到12月，紅一方面軍主力、紅二方面軍組成南路軍；以紅四方面軍第四、第三十一軍組成北路軍，分別經隴東進陝西，於適當時機再渡河入晉，尋求直接對日作戰，或在晉、冀、魯、豫、皖、鄂、陝、甘等省機動作戰，擴大黨的政治影響，擴大紅軍，爭取同南京政府訂立共同抗日協定。徐向前、陳昌浩指揮的部隊組成西路軍，在河西創立根據地，以一年時間打通與蘇聯的路線。（後來，西路軍在極端困難的條件下孤軍奮戰，由於敵眾我寡，大部分紅軍指戰員犧牲在河西走廊。）
這時，蔣介石的嫡系部隊胡宗南第一軍，憑藉武器精良，非常驕狂，蔑視紅軍實力，孤軍深入，以三路向豫旺縣進攻。對此，彭德懷暗喜，抓到了消滅胡宗南部的新戰機，向中革軍委建議在豫旺、洪德城間消滅敵軍。
連續幾天，毛澤東在京都志丹吃睡不安，時刻關注著紅軍對抗國民黨大軍的情勢，從各方面得到胡宗南部孤軍突進，心中一亮，結合彭德懷的軍事建議，11月15日就一、二、四方面軍集結準備對胡宗南部作戰問題，兩次致電朱德、張國燾、彭德懷、賀龍、任弼時，指出：「蔣介石仍堅決打紅軍，與南京妥協一時難成，我們應堅決粉碎其進攻。」「目前兩三天內，四方面軍即在甜水堡、保牛堡集結，二方面軍在毛居井及以北集結，一方面軍在環縣西集結，各兵團鼓動作戰準備，胡敵東進時消滅之。」①
11月16日，中革軍委向紅軍各級軍政領導人發出指示，要求立即進行政治動員，使廣大指戰員明白這一戰役的重大意義。
「甲、敵既繼續向我進攻，目前中心是打破敵之進攻，然後才能開展局面，才有利統一戰線，否則敵以為我可欺，不但局面不能開展，與南京之統一戰線也是不可能的。乙、我有打破敵人之許多有利條件，敵情、地形、群眾等方面，都有利我作戰，糧食困難是敵我共同的。丙、一切具體布置及作戰行動，各兵團首長絕對服從前敵總指揮彭德懷之命令，軍委及總部不直接指揮個兵團，以便適合情況不影響時機地戰勝敵人。」
11月17日，胡宗南部隊分三路向定邊、鹽池前進。敵人中路第二旅在萌城以西遭到四方面軍的紅四、紅三十一軍的伏擊，死傷600多人。
11月18日，毛澤東致電朱德、張國燾：「四軍萌城抗戰甚為得力，請鼓勵其繼續抓緊阻止該敵，以利一方面軍與三十一軍之突圍」。現胡軍已露疲憊，兵力又頗分散，一戰而勝前途大佳，「只有戰勝胡軍才便開展局面。」
同日，毛澤東、朱德、張國燾、周恩來、彭德懷、賀龍、任弼時聯名下達《關於粉碎蔣介石進攻的決戰動員令》，強調：各首長務須以最堅決的決心，最負責的忠實與最吃苦耐勞的意志去執行。「……當前的這一個戰爭，關係於蘇維埃，關係於中國，都是非常之大的，而敵人的弱點我們的優點又都是很多的。我們一定要不怕疲勞，要勇敢衝鋒，多捉俘虜，多繳槍炮，粉碎這一進攻，開展新的局面。」
山城堡位於洪德城和甜水堡中間，梁峁起伏，溝壑縱橫，地形複雜，有利於設伏殲敵。此時，紅軍三大主力已經移動到山城堡一帶，做好了打擊來犯之敵的準備。
之前，毛澤東等中央領導曾致電當時任國民黨軍第八十四師師長高桂滋，十七路軍總指揮楊虎城，十七路軍總參議杜斌丞，第三十五軍軍長傅作義，第六十七軍軍長王以哲以及張學良等高級將領，提出「停止內戰，一致抗日」、「中國人不打中國人」等主張，加之，秘密的統戰關係，所以王以哲部，張學