1935年11月3日，紅一軍團和紅十五軍團合編為紅一方面軍，由毛澤東兼任政治委員，彭德懷任司令員。為了粉碎國民黨軍隊對陝甘蘇區的第三次「圍剿」，振奮紅軍士氣，解決軍備供應缺乏的問題，毛澤東決定，由他親自指揮，打一次漂亮的大勝仗。地點選在直羅鎮，殲滅對象圈定為國民黨第五十七軍第一〇九師，師長是牛元峰，「惹牛」、「牽牛」、「追牛」的故事由此而發生。
為了殲滅牛元峰部，首先得「惹」牛。11月5日，毛澤東交代林彪：給你一天的時間，你要對直羅鎮附近的道路、地形、人家作詳細調查，明天就將調查情況報告上來。第二天，林彪將直羅鎮的調查報告交給了毛澤東，毛澤東看後，再次指示林彪作進一步調查，把直羅鎮地形圖繪製出來，並附上文字報告。
此後，紅一軍團和紅十五軍團團以上幹部在張村驛會合，由彭德懷司令員帶隊，大家快馬加鞭跑了30餘里路，趕到直羅鎮，實地察看地形。他們爬上了直羅鎮西南面的一座高山，放眼望去，直羅鎮及附近地區一覽無餘。直羅鎮是一個不到百戶人家的小鎮，三面環山，一條從西而來的大道從鎮子中央穿過，鎮的北面是一條流速和緩的小河。紅軍將領們不約而同地發出驚嘆：「這一帶的地形，對我們太有利了！」「敵人進到直羅鎮，真如同鑽進了口袋。」彭德懷注意到，鎮子東頭有座古老的小寨，裡面房屋雖然倒塌，但石頭砌的寨牆卻完好無損。為了防止敵人利用它做據點，彭德懷當即指示徐海東，派紅十五軍團的一個營連夜把寨牆拆掉。
11月中旬，紅一方面軍開赴直羅鎮附近地區。為了迷惑敵人、惹「牛」進欄，毛澤東特別把紅十五軍團的一個連部署在直羅鎮西邊的一個山頭上，擔負誘敵深入的任務。同時，毛澤東命令紅二四一團加緊圍攻甘泉，製造奪取甘泉的假象。國民黨「西北剿匪總司令部」果然中計，馬上下令第五十七軍迅速東進，去解甘泉之圍。
國民黨第五十七軍代軍長董英斌接到了命令，立即在太白鎮召開軍事會議，研究到底是走南道還是走北道去解甘泉之圍。走南道，雖然比較安全，但要多走100公里路程。走北道，要繞過黑水寺、直羅鎮、張村驛等地區，路雖近，但狹窄險峻，不好走，容易遭紅軍截擊。會上不少人主張走南道，第一〇九師師長牛元峰卻不以為然，狂妄自大地站出來說：「我主張走北路，我們晚走早住，怕什麼？那麼膽小，還打什麼仗！」牛元峰提出，讓他的一〇九師打前陣，為全軍開路。主張走南道的人不想再被指責為膽小鬼，也就放棄了走南道的主張。第五十七軍屬東北軍的編製，代軍長董英斌起家並不在東北軍，不是張學良的嫡系，而牛元峰卻是張學良最信任的人，董英斌知道牛元峰不能輕易得罪，他也不好反駁牛元峰的意見，只好順從。為穩妥起見，董英斌還把一一一師六三二團臨時配屬給牛元峰指揮。
會後，牛元峰率領第一零九師一路橫衝直撞，牛氣十足地向直羅鎮方向狂奔而來。
毛澤東得知「牛」已被惹了出來，暗自高興，對下一步「牽牛」作出了明確指示：各部隊在駐地立即自行籌足7天糧食，以保障戰役的勝利；凡是傷病員，一律不讓參戰。剛剛擔任紅一軍團參謀長的左權接到毛澤東的指示，立即下到紅一方面軍各師、各團，核實戰鬥員和傷病員。
當左權參謀長核實到紅十三團時，遇著了在黃埔軍校的老同學、十三團團長陳賡。他對陳賡說：「你的腳有骨折性戰傷，就不要參加了，由我代替你指揮十三團吧！」陳賡急忙爭辯道：「老同學！人家是新官上任三把火，你卻潑我一瓢水！直羅鎮戰役這麼重要，我這個團長怎能不上陣呢？」爭執了一陣子後，左權只好讓步，同意陳賡帶傷上陣，但要給他配兩匹馬。陳賡說啥也不接受，他說：「長征我是走過來的，不是騎馬過來的。如今到了家，更不能騎馬！」左權只好命令特派員歐致富：馬上落實一副擔架，從現在起，擔架不得離開陳賡左右，他算是提前出院參加指揮。
送走了左權，陳賡當即召開戰鬥部署會。他的開場白很特別，不談打仗，卻問大家：「你們誰殺過牛？」大家面面相覷，有人點頭，有人卻搖頭回答沒有殺過牛。陳賡說：「我們這次戰鬥要殺牛！當然不是草地上殺的那種氂牛。這頭牛，在我們進入陝甘後，一直跟著我們啃屁股……現在，黨中央、毛主席下決心讓我們回頭一擊，砸碎牛頭，狠狠給它一錘，然後給它開膛剖肚！」聽了陳賡形象的比喻，大家才明白，這頭「牛」原來是指牛元峰率領的國民黨軍第一〇九師。於是大家哈哈大笑地表示：「好，我們保證把這條『牛』宰了！」
11月19日，牛元峰率第一〇九師進至黑水寺、安家川一帶，五十七軍另外兩個師尾隨其後，進至張家灣以東地區。
20日早晨，牛元峰的第一〇九師在6架飛機掩護下，分三路沿葫蘆河谷及南北山地向直羅鎮推進。在距直羅鎮10公里處，與小股紅軍接觸，紅軍且戰且退，引著牛元峰部往直羅鎮方向走。牛元峰自以為紅軍被打敗，便在下午4時進佔直羅鎮。他先叫參謀擬電向總部和軍部「報捷」，然後又命令一一一師六三二團歸還原建制，接著傳令下屬殺豬宰羊，慶賀「旗開得勝」。酒足飯飽之後，牛元峰放心地睡起大覺來。他做夢也沒想到，他和他的部隊已經進入紅軍布下的天羅地網。
晚上，毛澤東命令紅一方面軍急行軍進入前沿陣地。陳賡特別來勁，感到大顯身手的時候到了。他不肯坐擔架，而是拄起棍子一瘸一拐地往前趕著夜路，可怎麼也跑不快，漸漸地落在了部隊後面。特派員歐致富急了，馬上命令：「警衛員，背團長！」陳賡這時也不好拒絕，只好由兩個警衛員輪流背了一段路。儘管這樣，還是和部隊拉開了距離。陳賡這回急了，忍不住叫了起來：「擔架！」於是，擔架隊員和警衛員扶陳團長上了擔架，抬起就走。陳賡說：「辛苦你們了，」又嘆氣道，「這真是抬將軍上陣了！」從此以後，「抬著將軍戰直羅」成為紅軍戰史上的一段佳話。
經過一夜的奔跑，紅一方面軍參戰的部隊都按時到達了指定位置，乘夜色包圍了直羅鎮，佔領了周圍山頭，控制住所有制高點。
毛澤東的指揮所設立在距直羅鎮不遠的一個山坡上。這裡有幾孔破窯洞，為了便於直接觀察戰場情況，指揮戰鬥，毛澤東沒有進窯洞，而是把指揮台設在窯洞口一塊大青石板上。他興緻勃勃地對身邊的人說：這一次，我要親眼看看牛元峰這頭「牛」挨宰了！各部隊負責同志務必注意，傷其十指不如斷其一指，一定要打殲滅戰。
「追牛」、「宰牛」的戲接著往下演。21日，天剛蒙蒙亮，毛澤東一聲令下，只聽得三聲槍響，兩路紅軍如兩隻鐵拳，從南北兩面的高山上向直羅鎮牛元峰部砸了下來。另以一部分部隊直插黑水寺，堵住敵軍退路，並牽制黑水寺之敵。頓時漫山遍野紅旗飛舞，槍聲震天，殺聲四起。牛元峰師猝不及防，轉眼間成了瓮中之鱉。在紅軍排山倒海般的攻勢下，牛元峰師被夾擊在兩山之間的一條川穀中，潰不成軍，狼奔豕突。
打到上午11時，紅軍兩路部隊已將敵軍分割包圍，紅二師首先攻入直羅鎮，佔領了牛元峰的師部。國民黨軍士兵像一群無頭的蒼蠅，到處亂竄。紅軍漫山遍野去抓俘虜。有的國民黨士兵連聲說：「我舉過兩次手了，別打，別打！」那些頑抗的國民黨士兵，很快被紅軍擊斃。
到此時，牛元峰才意識到低估了紅軍的戰鬥力，只好帶著一個營逃進了鎮東小寨子里，修築工事，負隅頑抗。鎮東小寨雖被紅軍戰前拆毀，但地形險要複雜，易守難攻，加之敵軍昨天來後，抓緊搶修，部分已經恢複。紅十五軍團第一次猛攻沒有成功，正準備發動第二次猛攻時，周恩來指示：敵人已成瓮中之鱉，暫緩攻擊，圍而不打；寨子里既沒糧，又沒水，他們總是要逃跑的，爭取在其突圍時把他們消滅乾淨。
這一招真靈。牛元峰蹲在寨子里，一個電報接一個電報發出去，要求五十七軍代軍長董英斌馬上派兵前來解圍。董英斌派出第一〇六師、第一一一師由黑水寺前來增援，沒到半路上就遭到紅一軍團主力和紅十五軍團兩個營迎頭痛擊，被打得焦頭爛額，調頭便跑。紅軍則乘勝追擊，在張家灣至羊角台途中殲滅了第一〇六師六一七團。在待援無望、缺糧少水的情況下，23日半夜，牛元峰率殘部向西突圍逃跑。紅十五軍團隨即跟蹤追擊，戰士們說：一定要把這條「牛」追回來。紅十五軍團戰士一口氣「追牛」25里，將牛元峰殘部一個營全部殲滅。這時牛元峰身邊只剩下了兩個手下，紅軍越追越近，在後面高喊「繳槍」。牛元峰眼看自己快要成為紅軍的俘虜，沮喪地抽出腰上的手槍，試了幾次，卻又不敢向自己的腦袋開槍，於是就把手槍交給副官說：「你把我打死。」副官接過手槍，照牛元峰右後腦打進一顆子彈，這頭「牛」頓時面頰炸碎而死。
至此，直羅鎮戰役勝利結束。山坡上、鎮子里，到處堆積著繳獲的槍支彈藥，到處聚集著被俘虜的國民