國民黨軍進入邊區後，很難搞到西北野戰兵團行動的情報，成了聾子和瞎子。其部隊行動主要根據空中偵察，往往主觀推斷。4月下旬，國民黨軍空中偵察，發現綏德、米脂以東黃河各渡口集中了一批船隻，解放軍多路小部隊向綏德方向前進。敵軍統帥部根據所獲情報，斷定共軍主力正向綏德附近集結，準備東渡黃河。就命令胡宗南部迅速沿咸榆公路北進，又令駐榆林的鄧寶珊部22軍南下米脂、葭（佳）縣策應，企圖南北夾擊，將野戰軍一舉殲滅於葭縣、吳堡地區，或逼野戰軍東渡黃河。胡宗南除以167旅旅部帶一個團加一個保安總隊，加強蟠龍的守備外，命劉戡、董釗率9個旅於4月26日從蟠龍、永坪分左右兩路向北進犯。董、劉兩軍主力開始出動的當天，彭德懷、習仲勛即令有關部隊派偵察隊迅速查明敵軍去向。次日19時，彭德懷和習仲勛向毛澤東報告：「董、劉兩軍27日15時進抵瓦市，有犯綏德模樣。」「我野戰軍本日隱蔽於瓦市東南及西南，擬待敵進逼綏德時，圍殲蟠龍之敵」。毛澤東複電：「計畫甚好，讓敵北進綏德或東進清澗時，然後再打蟠龍等地之敵。」
為了「調虎離山」，造成敵軍錯覺，彭德懷還「投敵所好」。以359旅一部，並從其他旅中各抽出一個排，配合綏德分區部隊，扮演主力向北撤退，節節抗擊敵人。沿途故意丟棄一些部隊的臂章、符號、破舊鞋襪和衣物，製造假象，誘敵加快北上。
延安東北的蟠龍鎮，是胡宗南部集散的戰役樞紐，前方補給基地，儲存著大量軍用物資。胡軍每次「武裝大遊行」之後，就到這裡進行補給。守敵167旅是蔣介石嫡系整編第1師的主力旅，裝備精良，火力強。加上地方反動武裝陝西人民自衛軍第3總隊，兵力近7000人。蟠龍是個小盆地，群山環抱，地勢險峻，易守難攻。敵人利用蟠龍周圍高地，修築許多大、小地堡，組成地堡群，形成交叉火力網；環繞地堡群挖有寬、深各六七米的外壕。其東山主陣地集玉峁，更是工事堅固，明碉暗堡，星羅棋布。
攻打蟠龍是西北戰場第一次攻堅作戰。彭德懷分析，野戰兵團南下攻打蟠龍，敵軍必然回援，但最快也要三四天才能到達。必須搶在敵軍之前攻下蟠龍。他在作戰會上說：「最少我們有4天的攻擊時間。但這是場攻堅戰。如果說青化砭、羊馬河兩仗我們是吃了兩塊肥肉，那麼，蟠龍這一仗我們要準備啃骨頭，要切實做好攻堅、打硬仗的各項準備。」
當胡軍擺成縱橫幾十里的「方陣」尾隨野戰兵團「主力」向北疾進時，彭德懷率領野司機關，就駐紮在敵「方陣」邊的一個叫新莊的小山村裡。偵察員和參謀不斷送來十萬火急的報告。這裡同敵人僅隔幾個山頭，相距才1000米左右，隨時都可能遭到敵人的襲擊。司令部的人員都荷槍實彈，嚴密注視著敵人的行動，準備隨時同敵人戰鬥。彭德懷說：「敵人怕我們打它的埋伏，是不敢下到山溝來的。」他若無其事，躺在土炕上，籌劃著打擊敵人的方案。當偵察員報告：敵人過去了。他從炕上一躍而下，說：「『大路朝天，各走一邊』，敵人向北，我們向南，各走各的路，各辦各的事噢！」即命令隊伍向蟠龍進發。
4月29日，彭德懷、習仲勛發出圍攻蟠龍的作戰部署。以1縱隊、2縱隊之獨4旅及新4旅攻殲蟠龍守敵，359旅一部和教導旅分別阻擊南北可能增援之敵。30日，野戰兵團以迅雷不及掩耳之勢，包圍了敵人重兵把守的蟠龍鎮。5月2日晚，進攻蟠龍的戰鬥打響。野戰兵團缺少攻堅火炮，主要靠土工作業和爆破作業來摧毀敵人的堅固工事。從2日夜晚打到3日晨，只奪取了敵人的前沿據點，外壕不能通過，幾次攻擊都未能奏效。西北野戰兵團確實碰到了硬骨頭。
這時，彭德懷下令停止攻擊，鞏固已得陣地，主力進行休整，發揚軍事民主。各攻擊部隊召開連排幹部會、戰士會，討論如何奪取主陣地，準備黃昏再攻。指戰員紛紛獻計獻策，提出採用對壕作業逼近鐵絲網、外壕和敵堡，攻擊部隊編組輪番佯攻，以消耗敵人火力等多種有效辦法。根據這些建議，彭德懷調整了攻擊部署，集中火力，改進戰術，再次發起猛烈攻擊。當天打下集玉峁，動搖了守敵。
在攻打蟠龍的緊張時刻，彭德懷及時同王震通電話說：「萬一敵人想跑，不論從哪一個方向突圍，都要堅決圍殲，絕不能讓其跑掉一個人。」當部隊報告，敵人開始向西山逃跑時，他馬上致電第1縱隊張宗遜、廖漢生：「現敵向核桃坪方向逃竄，必須堵擊、截擊、追擊，務求徹底消滅。」彭德懷的意圖很明確，就是力求全殲，不使一人漏網。
5月4日，野戰兵團奪取了蟠龍之東山、北山主陣地，黃昏後從四周居高臨下向蟠龍鎮敵人猛攻。夜晚12時，蟠龍攻堅戰勝利結束。