我軍主力按預先制訂的作戰計畫，遵照前總命令，準備解放靖邊縣城。該城為四方形，是依山面水的半山城，聳立著200米高的小山，能俯瞰全城，嶺上築著寨堡，寨內面積400平方米左右。寨周圍地勢險峻，要攻克靖邊城，必須先攻佔西山寨。
靖邊縣城牆堅固，有東、南、北三個城門，東北角還開了個水門。街道是東西、南北的十字街，其中心點是鐘樓。南北大街有城隍廟、南門樓、北門樓等制高點，東西大街有東門樓、西山寨等制高點，只有東南角一段城牆稍有塌斜，可以攀登。
靖邊是榆林通往定邊、安邊的必經之地，也是綏德通往三邊的要道。敵若失去該城，就會被我軍在以上幾個地區分割開來。因此敵派重兵防守。守敵是八十六師二五六旅五一三團二營，轄3個步兵連，1個機槍連，400餘人；反動民團200餘人，共700餘人。
敵營長曲子鵬是高雙城的親信爪牙，頭腦簡單卻自負驕橫。許多官兵是其親戚朋友或拜把兄弟。該部隊個人軍事技術較好，戰鬥力較強，但裝備陳舊，火力稀鬆。
根據敵情、地形，前總決定以4個主力團出擊，共3000多人，我與敵之兵力是五比一的壓倒優勢；我們又積累了攻城的經驗。為盡量減少傷亡，採取遠距離奔襲戰術，同時也做好強攻的準備。
紅軍各作戰部隊於6月28日晨2時，隱蔽渡過蘆河，集結到進攻地段。抗日義勇軍受命攻克西山寨制高點。紅二十六軍二、三團受命偷襲較易攀登的東南角，若登城成功，三團要乘勝攻佔南城門樓。紅二十七軍一團為預備隊。另派出一部分兵力阻擊寧條梁方向可能增援之敵。陝北游擊隊第三縱隊配合赤衛隊在樓溝嘴一帶布防，準備抗擊橫山方向援敵。總攻時間以抗日義勇軍攻打西山寨槍聲為號。
由於嚮導帶錯了路，抗日義勇軍延誤了發起進攻的時間。天將破曉，再不進攻就會失掉攻城的機會，造成不堪設想的後果。二十六軍三團基於這種考慮，立即命令奮勇突擊隊員首先登城，於拂曉前攻克東南城角，俘敵10餘人。此時敵人已覺察我軍意圖，立即進入戰鬥。
密集的火力射向我攻城部隊。志丹當機立斷，執行第二個作戰方案，改襲擊為強攻。這時步兵三團已奪下了南門樓，殲滅了守敵。三團第二梯隊於晨5時，從東南城角突破口攀登進城，展開了爭奪戰。其一連攻佔東門，而二、三連向街中心的鐘樓攻擊時，由於地形開闊，敵人防範嚴密，火力集中，加之西山寨敵人支援火力的封鎖，陷我進攻部隊於極為不利的境地。此時，志丹不失時機地把預備隊紅一團於8時投入戰鬥，繞道從東門突破敵人防線，於11時攻克城隍廟據點。隨後兵分兩路，向北門樓發起攻擊，一路向城中心鐘樓進攻，形成夾擊鐘樓之勢。敵在我夾擊之下開始動搖。我三團乘敵慌亂之際，在機槍的強火力掩護下，攻佔了鐘樓，控制了城內的制高點，逼殘敵退到祖師廟，但仍負隅頑抗。與此同時，抗日義勇軍經過激烈爭奪戰鬥，攻克了西山寨，控制了全城的制高點。紅一團攻佔了北城門樓，至此城裡被我軍控制。敵大部被俘被殲，敵營長曲子鵬帶幾名親信落荒逃命，被紅一團和三團在追擊中擊斃，其餘被擒。
午12時戰鬥結束，擊斃敵營長等百餘人，俘敵500餘人；繳獲長短槍550餘支，迫擊炮2門。還俘虜了敵縣長、民團總指揮、肅反會主任、警察局長、國民黨縣黨部書記、土豪劣紳及反革命分子幾十人，將其交給靖邊縣工農民主政府處理。
由於這次戰鬥由「襲擊」改為「強攻」，爭奪比較殘酷、激烈，有些據點幾經反覆攻擊才被佔領，因此我軍傷亡重大，除負重傷103人外，犧牲50多名同志，其中有三團第一連連長魏四兒，抗日義勇軍第二大隊長王東來等英勇善戰的同志。
靖邊縣城是紅軍解放的第五座縣城，是靠指戰員流血犧牲與頑敵反覆拚殺取得的。這一勝利動搖了敵人在這一帶的防線，令敵驚恐不安。他們或收縮防禦，龜縮在堡壘里；或棄城逃命，威風盡失。保安縣敵八十六師二五六旅五一二團二營長高雨亭早於6月23日拂曉逃走。保安縣金佛坪守敵營長張廷祥於7月1日晚聞風喪膽，竄逃回安邊鎮內，保安縣城不戰而降。這是紅軍解放的第六座縣城。
敵人這時才意識到我軍主力在南線，因而防不勝防。志丹利用敵人的錯覺，以聲東擊西的作戰戰術，調動敵人按我意圖行動。
6月28日，他命令紅軍主力兵團秘密經卧牛鎮、青陽岔到赤源縣唐家川、李家岔一帶休整，此間召開了祝捷大會，慶祝連續解放了六座縣城，使陝甘邊和陝北兩蘇區連結為整體；慶祝解放了廣大地區的人民，擴大和發展了紅軍主力兵團和游擊隊，開闢了敵後游擊區。
在這個時期，我東線、南線和西線的二十六軍步兵一、二團和第二、三路游擊隊、騎兵團都取得了輝煌的勝利。他們襲擊了長武縣城，處決了敵縣長等人；拔除敵軍和民團的據點50餘處，共殲敵千餘人並繳獲各種槍千餘支；新建立二十六軍第四團；發展充實了騎兵團，戰馬發展到500餘匹；還新組建游擊隊20餘個。
這一系列勝利鉗制了敵人的三十六、四十二、六十一師等全部兵力，並大量消滅了敵人的有生力量。北線的陝北紅軍獨立三團（原由神木三支隊改編的紅三團）和游擊隊，則鉗制了敵人八十六師二五八旅劉潤民部5000餘人，並殲其一部500餘人，繳獲各種槍支400餘支。各個戰場的行動都有效的配合了主力紅軍作戰。