3月13日，胡宗南以整編第1、第29軍共15個旅14萬餘人的兵力，由洛川、宜川之線分兩路向陝北發動進攻。（關於胡宗南部向延安發起進攻的日期，有3月13日和14日兩種說法。這裡根據中央文獻出版社等單位近年編寫的《毛澤東軍事文集》第4卷、《周恩來傳》等書，採取前一種說法）
為加強攻勢，自上海、徐州調集作戰飛機75架至西安，由空軍副總司令王叔銘指揮，對延安等地的黨政機關、軍事設備、工廠、倉庫以及前沿陣地進行自內戰爆發以來規模最大的「戰略大轟炸」。3月13日4時許，一批炸彈扔在延安北門附近，企圖炸毀人民解放軍總部。僅13日一天即投彈59噸。至3月19日，幾乎每天都出動飛機三四十架次，輪番轟炸八九小時。扔在楊家嶺毛澤東住地周圍的燃燒彈達30餘枚。18日正在開會的毛澤東、周恩來等人，幾次中斷會議，躲避飛機的轟炸。
胡宗南部在飛機、坦克掩護下氣勢洶洶的進攻，遭到西北解放軍的堅決抗擊。教導旅和警備第7團雖僅有3個團、5000餘人，且裝備極差，但廣大指戰員懷著鋼鐵意志，依託防禦工事，英勇頑強，寸土必爭，使胡軍每佔領一個陣地都要付出重大代價。
對14日的戰況，西安綏靖公署有詳細記載：「第1師由新莊地區發起向舊冶城三泰庄之線攻擊，遭敵之節節抵抗」，「第90師由英旺地區發起向劉村附近攻擊，沿途遭敵之頑抗」，「整第27師由平陸堡地區發起向臨真攻擊，遇敵教2旅依堡壘之堅固工事頑抗」，「第17師由堡子頭髮起向茶坊攻擊，敵依據茶坊北山寺之堅固陣地頑抗……」同時，游擊隊和民兵的廣泛出擊和爆破活動，也使胡軍行動緩慢，每天前進不到10里。原西安綏靖公署副主任兼前線指揮官斐昌會著文說：「部隊前進後，由於解放區早已完成了堅壁清野工作，胡軍各部派出的搜索部隊又經常遇到邊區民兵的奇襲，因而不敢遠距離偵察，情況不明，地形又不熟悉，因此部隊行動緩慢。」（《文史資料選輯》第36輯，第2頁）
激戰至16日，胡軍雖突破第一道防禦陣地，佔領臨真、龍泉、茶坊、牛武等地，但其右路兵團被阻於金盆灣、馬坊以南地區，左路兵團被阻於板橋、麻子街以南地區，未能實現其預定計畫。當天，毛澤東發布命令，表揚西北解放軍，並指示其積極組織防禦。
由彭德懷、習仲勛統一指揮的西北野戰部隊，立即調整部署，編成3個防禦兵團，加強組織抵抗。以第1縱隊（3月15日返回延安以南）和警備第7團為右翼兵團，由張宗遜、廖漢生指揮，在道佐埠、甘泉、大小勞山、清北溝、山神廟地區組織防禦；以第2縱隊和教導旅為左翼兵團，由王震、羅元髮指揮，在南泥灣、金盆灣、松樹嶺地區組織防禦；以新編第4旅為中央兵團，由張賢約、徐立清指揮，除以不少於4個營在廟爾梁、程子溝、三十里鋪地區組織防禦外，余為預備隊，置於延安兼防敵傘兵並控制機場。
各兵團白天以少量兵力，節節抗擊，堅守要點，並適時組織兵力進行反衝擊，經常以1個班、1個排抗擊成營成團的胡軍。晚上則充分發揮善於夜戰的特長，廣泛出擊。指戰員們幾天吃不飽飯，喝不上水，但始終充滿信心，英勇戰鬥。
胡軍因進攻受挫，前進緩慢，於16日佔領金盆灣、道佐埠後，便採取「鑽隙戰術」，主力經茶坊、王莊北進，側擊解放軍縱深防禦力量比較薄弱的松樹嶺至楊家畔一線。
西北解放軍的頑強抗擊，特別是到處埋設地雷使胡軍傷亡大增，士氣沮喪。原國民黨軍整編第90師副師長任子勛在記述當時的情況時寫道：「金盆灣以南十里一段地區，解放軍到處埋設地雷，進攻部隊在前進中不時發生觸雷事件，炸死炸傷人馬不少，行動甚為緩慢。佔領金盆灣後，發生觸雷事件更多，每一房間或窯洞，門檻上、坑火里、坑洞內、水缸中、門背後、窗戶上，都有埋設或拴上地雷的可能。只要走進屋內，誰要粗心大意，一舉手、一投足之間，就會被炸死或炸傷。弄得人人精神緊張，誰也不敢進屋，誰也不敢動手。」（《文史資料選輯》第36輯，第11頁）
胡宗南未能實現17日佔領延安的計畫，蔣介石又再三催促，心急如焚，遂於18日午後下令給首先攻入延安的部隊獎賞1千萬元。命令說：「各師到達楊家畔以北之線，如時間許可，應即編成突擊隊直襲延安，突擊成功部隊賞洋1000萬元。」（西北軍區保存的國民黨檔案）
當天下午已進佔楊家畔，距離延安僅有14里的整編第90師師長陳武接此命令後，滿以為可以搶到頭功、名利雙收，便興高采烈地說：「這下子我們可以取得佔領延安的首功了！」（《文史資料選輯》第36輯，第12～13頁）誰料18日半夜，胡宗南卻突然命令整編第90師改變突擊方向，向寶塔山至清涼山一線以東地區進攻，整編第29軍在攻佔延安以南之二十里鋪後亦停止前進，而以整編第1師第1旅進佔延安。
18日傍晚，延安的黨政軍領導機關和群眾的轉移疏散已經完畢，東南郊區的槍聲越來越密，毛澤東、周恩來在彭德懷、習仲勛的一再催促下，才從容不迫地離開延安。
19日上午，西北野戰部隊在完成預定任務後，主動撤出延安。下午3時，胡軍先頭部隊進佔延安。