困守長治，渴望援軍解圍的史澤波，初聞閻軍2萬援兵南下消息的時候，曾向部屬轉發過閻錫山從太原發來的所謂「上黨必爭，長治必守，援軍必到，叛軍必滅」的電令，想藉此穩定軍心，也給自己壯膽。史澤波曾組織「敢死隊」拚命突圍達17次之多。當援軍被我殲滅後，長治之敵成了驚弓之鳥，完全喪失了堅守的信心。
為了保存實力，閻錫山又急令史澤波趁我軍主力尚未南返之時，趕快撤離長治向西突圍，企圖橫穿我太岳區逃回浮山、翼城。
10月8日黃昏，史澤波趁著大雨濃霧，偷偷棄城向西逃竄。然而，敵人的這一步棋，早在劉鄧意料之中。為全殲長治之敵，在敵軍剛剛棄城西逃之際，我軍即在打援部隊中組成了2支精幹部隊對其平行追擊。這便開始了上黨戰役的第三階段，追殲逃敵。
太行縱隊的2個團不顧疲勞一路尾追，於10月10日在沁水縣的香溝率先追上了敵人的後衛部隊，激戰1小時後，俘敵700餘人，把敵人的尾巴吃掉。然後追到大廟庄地帶，咬住了敵人的主力部隊，又在大廟庄和敵人展開了激烈的戰鬥。
與此同時，遠在襄垣的太岳縱隊亦接到命令，要他們趕到東峪，西峪一帶截住敵人。太岳部隊隨即從土落村出發，用最快的速度，沿吾元、張店急進。當他們趕到東、西峪時，不料敵人已經過去了，於是部隊又兵分三路：21團走梁山、20團和38團走山谷、772團單獨沿張店、將軍嶺、馬壁一線繞大彎子插過去。終於在沁水縣的桃川附近堵住了敵軍的逃路。10月10日，772團和敵人在將軍嶺交火，太岳部隊其餘3個團也於11日拂曉在佛廟嶺投入戰鬥。此時，在大廟庄和敵人激戰的太行縱隊也尾隨而至，敵人被包圍、壓縮在桃川一帶。
10月12日下午3時，我軍發起總攻，只用3個小時就結束了戰鬥，敵軍除少數先頭部隊逃跑外，大部被殲，連史澤波在內的近萬名官兵都當了俘虜。至此，歷時30餘天，共殲敵13個師、3.5萬餘人的上黨戰役勝利結束，除沁縣外，晉東南地區全部解放。
戰後，我太岳縱隊司令員陳賡將軍接見了史澤波軍長，向其交代了黨的俘虜政策，並問他：「你認為你們這次戰敗的原因是什麼？」敗軍之將史澤波感慨道：「抗戰8年中，貴軍在上黨地區和日軍作戰，日本投降後，我們來搶佔地盤是不對的，不過沒想到失敗得這樣快，真是天助你們！」陳賡將軍回答說：「你講對了！《水滸傳》上說梁山泊好漢們『替天行道』，我們也是『替天行道』，我們的『天』，就是人民。我們依靠人民打敗了日本侵略軍，也依靠人民打敗了你們。歷史證明，與人民作對，必然要失敗！希望你今後能為反對蔣介石、閻錫山發動內戰作些貢獻。」
這些話深深觸動了史澤波的心，我黨的俘虜政策也給了他生的希望，後來他領銜聯合上黨戰役被俘的高級將領發通電揭露了蔣閻挑起內戰的罪行。