8月18日3時30分，彭德懷發布「以伏擊姿態殲滅該敵36師」的命令。命第3縱隊（並指揮綏德軍分區兩個團）以一部兵力吸引鍾松的前梯隊，以主力抗擊劉戡所部，阻止該敵與36師會合。集中1、2縱兩個縱隊和教導旅、新4旅，先殲滅36師的後梯隊，再殲其前梯隊，以達各個殲敵之效。
當天上午，野戰軍主力與敵交鋒，因天降大雨，敵之後梯隊倉皇撤至沙家店地區。
當日晚，野司接電報得知，葭蘆河因大雨水漲，不能徒涉，毛澤東和中共中央機關無法向北轉移，改為向西北方向冒雨行進，尚未脫離險境。彭德懷用手指在地圖上估量著兩路敵軍相距的里程，板著臉一言不發。他坐坐站站，對著地圖沉思。作戰值班室里鴉雀無聲。參謀們進出窯洞，都是輕手輕腳，生怕打擾了他運籌殲敵的思路。彭德懷要參謀通知部隊，繼續嚴密監視敵人，一有情況，立即報告。這幾天，他每天只喝幾口小米粥，很少睡眠。
18日戰鬥後，劉戡並未增援鍾松而是率主力5個旅繼續北進。19日佔領神泉堡和葭（佳）縣城。鍾松率整編36師師部及165旅，在沙家店附近高地構築野戰工事。這時鐘松發現西北野戰軍主力並未渡河，而在他部隊的附近，急電其前梯隊123旅回撤沙家店。彭德懷分析兩部敵軍態勢，判斷敵軍並未摸到西北野戰軍意圖，決心仍先行殲滅第36師。同時，適當調整了部署，以新4旅抗擊回援之123旅。
19日戌（19-21）時，彭德懷報告中央軍委：「擬於明號（天）拂曉包圍沙家店附近敵之兩側而殲滅之。得手後逐次向東北各個殲擊之。」20日3時，毛澤東親擬中央軍委複電：「完全同意你對36師的作戰計畫。」毛澤東和中央機關是在19日轉移至「鎮川堡正北80里之梁家岔地區（老蘇區）與主力會合」的，從而結束了自小河出發以來19天的長途艱險行軍。中央在8月21日特電告中央工委、中央後委及各戰略區說：「大家都安全」，以解除各方的挂念和憂慮。
8月20日拂曉，第1、第2縱隊向整編36師發起攻擊。該師第123旅為解其師部之圍，由烏龍鋪折回。午後被野戰軍教導旅和新4旅包圍於常家高山附近。彭德懷命令：堅決把123旅消滅掉，不能讓它往西靠近。就這樣，整編36師的兩個旅被分割兩地，全部被包圍，前後兩個梯隊無法相顧。
為了在劉戡趕到之前迅速消滅被圍之36師，彭德懷發出了殲敵動員令：「徹底消滅36師，是我西北戰場由戰略防禦轉入戰略反攻的開始，收復延安解放大西北的開始。」要發揚無限英勇的精神，「立即消滅36師，活捉鍾松，號召你們本日黃昏以前勝利完成戰鬥任務」！全軍振奮，鬥志昂揚，向鍾松師展開猛烈衝殺。
胡宗南接到鍾松的呼救電報，即令劉戡增援。又急電123旅旅長劉子奇：「固守待援，將派飛機參加戰鬥。」劉戡也致電鐘松：「已令55旅就近來援，主力繼後即到。」但是劉戡所率主力被我第3縱隊及綏德分區的4、6團奮力阻擊，難以前進。連他的警衛部隊也一度被衝散。直到黃昏前，距離鍾松的陣地還有30多里。孤軍突進的整編36師，如今只能孤軍作垂死掙扎了。
驕橫一時的鐘松，盼援軍無望，暴跳如雷。眼看形勢急轉直下，陣地相繼丟失，電台亦被擊毀，各方聯絡斷絕，他便和165旅旅長李日基等人換衣化裝，乘黑夜逃跑。野戰軍經過激戰，當天黃昏殲滅了整編36師師部及兩個旅，共6000餘人，俘旅長劉子奇。