劉鄧大軍要打長治了。長治曾是日軍第36師團的駐地，是一個重點設防的城市，城牆高3丈有餘，城外深溝高壘，工事堅固，加之連日來秋雨連綿，地面泥濘，部隊爬城戰鬥極為不便。
這時劉伯承、鄧小平心中十分焦慮。預定上黨戰役只能打1個月，現在已經打了將近20天，如果長治城久攻不克，則平漢、同蒲大門洞開，到那時麻煩就大了。
9月20日，劉鄧下令：「決心以勇猛、迅速之作戰，奪取長治城，最後殲滅侵入上黨之敵。」
22日，劉鄧把他們的指揮部設在長治城東南10里的北天河村。同時命令各部隊於24日黃昏前，完成環城電話線的敷設。自打屯留開始，從9月10日到22日，劉鄧已經五易其指揮位置，足跡遍布長治城的四周。
熟諳兵法的劉伯承打上黨的排兵布陣非常有意思：把太行縱隊擺在正南，以太岳縱隊為左手，擺在西北，以冀南部隊為右手，擺在東南面。
那麼北面怎麼辦呢？
原來，這又是一個口袋陣，一個欲擒故縱的架勢。這次打長治，劉伯承的打法是「圍三闕一」，圍攻其東西南三面，闕其北面，虛留生路，暗設袋口。如果閻錫山來援，或者史澤波頂不住強攻向北突圍，都符合他的設想。
9月24日，劉鄧部隊已攻佔城關多處，並定於當晚開始攻城。這時，閻錫山吃不住勁了，派兵增援來了。前方情報報告：閻軍3個師7000人，正沿著白（圭）晉（城）線南下，已達子洪鎮以南，判斷是增援長治。
正在北天河村指揮作戰的劉伯承接到報告後大喜，緊鎖多日的雙眉一下子舒展開了。他對鄧政委說：「好，送上門來了。」
劉伯承走到作戰地圖前，仔細測算從子洪鎮到長治的時間。他又一次陷入了沉思：究竟是先攻城呢，還是先打援？
先攻城吧，擔心援軍攻我腹背；先打援呢，又怕長治之敵出逃。
在決策的那一念之間，稍有不慎，即會滿盤皆輸。
整整4天，劉伯承一直思考、權衡。同時，他也在觀察，看援軍的行動。讓他百思不得其解的是，閻的援軍為什麼行進得這麼慢？每天只不過走二三十里路程。
9月28日，劉伯承終於定下決心：先打援敵。他和鄧小平交換了意見，鄧小平贊同道：「只能先顧一頭，兩頭都顧，一頭也顧不上。」
當日，劉鄧下達《晉冀魯豫軍區作戰第七號命令》，規定：在援敵進至常隆、上村鎮一帶時，堅決於野戰中消滅之，並同時消滅可能自長治出城接應或突圍之敵。
劉伯承命令，陳再道指揮以冀南縱隊為主力的1萬餘人部隊繼續攻城。當然，是佯攻，而且聲勢越大越好；打援部隊分左右兩翼，右翼由李達和陳錫聯指揮，以太行縱隊為主力，兵力約1萬人；左翼由陳賡指揮，以太岳縱隊為主力，兵力也在萬人左右。
命令剛剛下達，劉鄧忽然接到前方偵察部隊報告：原來援軍不是3個師7000人，而是5個師1.2萬餘人。
劉鄧不為所動，仍決定以1萬人攻城，2萬人打援。打援的決心和陣容不變。
次日晚，劉鄧將其指揮位置轉移至黃輾鎮，以便於指揮部隊打援。
但這時援軍又改道了，在與我接觸後，在老爺山、磨盤堖據守，不走了。
劉伯承心想，這倒不是壞事，因此就勢又設了一個口袋陣：以陳錫聯為右翼，陳賡為左翼，強攻老爺山、磨盤堖，在北面來路上放開一個口子，虛留生路，改右翼隊的第17師和獨立支隊（第30團）尾敵援軍後，在敵逃跑時將其截住殲滅。這樣還有一個好處，就是不讓援軍和長治守敵聯成一體。
部署妥當，劉鄧的指揮部第7次位移，由黃輾鎮前移到西北的中村。
10月2日，打援主力在預期地區與閻錫山的援軍遭遇。閻軍的火力很強，而劉鄧部隊的彈藥奇缺，因此輕易不敢開槍。
這日夜，劉伯承由李達和陳錫聯陪同，到前線部隊視察。劉伯承聽到前線槍聲特別稀疏，不禁愣了一下：大兵團作戰槍聲不該是這樣的呀？陳錫聯道：「現在子彈太少了，每個老兵才5發子彈。大家都在想辦法抓俘虜，抓1個俘虜可以得到200多發子彈。他們每人攜帶300發子彈，100發自己用，200發送到長治。」
劉伯承聽了高興道：「怪不得敵援軍走得這麼慢呢，原來是負擔太重啊。好，消滅這股敵人油水還不少吶。」
激戰兩天，劉伯承又大吃一驚。
原來前兩次的情報都不準。閻錫山派來的援軍既不是7000人，也不是1.2萬人，而是8個師附兩個炮兵團，共2萬人。總指揮是第7集團軍副總司令彭毓斌、副總指揮是第2戰區炮兵司令胡三餘。
又一次節外生枝。2萬對2萬，裝備懸殊又這樣大，這仗如何打？
時間不允許他們猶豫了。劉鄧當機立斷，改變部署，從長治1萬圍城部隊中，調陳再道冀南縱隊6000人火速趕來，投入打援戰鬥。
劉伯承舉重若輕，在此十萬火急之時，在給陳再道打電話下達命令時，竟是以玩笑的口吻對陳再道說：「長治這塊骨頭先不啃它，咱們先吃掉眼前這塊骨頭。陳賡在老爺山，陳錫聯在磨盤堖，兩人已經按住了敵人的兩條大腿，你趕快從中間大道往北插。援敵已陷入四面包圍，很快要發動總攻，你儘快準備出擊。」
「口袋陣」依然不變，仍在北面給敵人留個口子，以防敵人作困獸之鬥。
10月4日，劉鄧第8次將指揮部前移至太平村，以便直接指揮老爺山、磨盤堖兩處的打援戰鬥。
經過激戰，到10月6日晚，閻錫山的2萬援軍除約2000人逃到沁州外，悉數被殲。總指揮彭毓斌被打死，副總指揮兼炮兵司令胡三餘、第46師師長郭溶、第49師師長張宏、第66師師長李佩膺等數十名高級軍官束手就擒。