劉戡果然被「釣」了出來。彭德懷於2月28日發出「進字第二號」命令：「本野戰軍決定於明（29）日拂曉發起總攻，殲滅來援之敵。」並按既定的作戰方案，適當調整了部署：以第3、第6縱隊各一個旅繼續圍攻宜川，集中9個旅的兵力迅速搶佔瓦子街至鐵籠灣兩側高地，待劉戡援軍進入時一舉圍殲。同時，電令第2縱隊集結於圪台街與瓦子街之間，準備由南向北側擊瓦子街及以東的援敵。
2月28日，劉戡率援軍繼續東進，企圖當日趕到宜川。為了防止通過瓦子街以東隘路時遭受伏擊，劉戡以整編第90師第61旅、整編第27師第47旅分別沿公路南北兩側的山樑搜索前進。由於公路北側道路難行，除第61旅沿公路南側行進外，其餘部隊仍在溝內沿公路東進。
當劉戡援軍的先頭部隊由瓦子街東進到鐵籠灣的時候，彭德懷幽默地說：「劉戡啊，你鑽進了『鐵籠子』，就不要再想出去了！」
上午10時，劉戡援軍的先頭部隊一過瓦子街進至任家灣、丁家灣地區時，即遭到西北野戰軍第3縱隊獨立第5旅和第6縱隊教導旅第2團的阻擊。
劉戡判斷阻援部隊只有1個縱隊，幾千兵員，不能阻其馳援，命令部隊繼續攻擊前進，限於當天到達宜川。這樣，連其後續部隊均於當日進入瓦子街以東的隘路。28日下午，天空陰雲密布，開始下毛毛雨，後變成小雪，入夜，鵝毛大雪漫天飛揚。野戰軍第1、4縱隊和第3、6縱隊各一部，冒雨雪由預伏地區隱蔽接敵。
2月29日晨，彭德懷致電中央軍委：「敵整編29師、90師進到宜川西南之王家灣、任家灣以南高地。昨晚大雪數寸，本晨敵未動。我無糧不能等待，故決向該敵圍攻。」
同日晨2時，負責扎口袋的第1縱隊於瓦子街以西尾敵前進，6點攻佔瓦子街，斷敵後路。這時1縱隊司令員賀炳炎、政治委員廖漢生髮現第2縱隊因距離遠，雪路難行，尚未佔領瓦子街以南高地，而敵人正向該地集結。
如不迅速堵塞這一缺口，敵人將有突圍逃竄的可能。於是在前衛獨1旅1團插過公路開始攻擊之後，又命令358旅一部向瓦子街東南高地攻擊，以切斷敵人南逃退路。358旅的714團附715團1個營，與敵53旅1個團的兵力，反覆肉搏，將敵擊潰，佔領了陣地。並向東發展，同友鄰部隊一起，完全截斷了敵軍回竄的道路。
同一天，第1、第4縱隊和第3、第6縱隊主力擊退了企圖奪路突圍之敵。擔任攻擊敵右翼的第2縱隊亦趕到投入戰鬥。到黃昏，野戰軍緊縮包圍圈，將敵人壓縮在喬兒溝、任家灣、丁家灣及其附近高地的東西不到10公里長，南北寬約5公里的狹小地區內，形成鐵桶合圍的態勢。當天夜裡，部隊冒著大雪嚴寒露營，不顧疲勞飢餓，積極準備第二天總攻。劉戡也命令其所部各旅連夜構築工事，繼續頑抗。
3月1日拂曉，彭德懷下達總攻擊命令。第1縱隊沿公路及其兩側高地由西向東，2縱隊由南向北，4縱隊由北向南，6縱隊一部由東南向西北，3縱隊一部由東北向西南，向敵人發起總圍攻。槍聲、炮聲、軍號聲、衝殺聲，震天動地。
這一天，全線戰鬥十分激烈。劉戡的援軍頑強抵抗，與西北野戰軍反覆爭奪位於公路南側、居高臨下的東南山。
彭德懷在當天的一份文電中寫道：「每攻一山峰，須反覆數次，用刺刀才能取得。」名聞全軍的刺殺英雄劉四虎，原是苦大仇深的翻身農民，也是新式整軍中提高階級覺悟的典型，一個人刺死7個敵人，自己身上也挨了11刀，負了重傷。714團團長任世鴻，帶領特務連奪取敵軍指揮所盤踞的山樑土寨子，身先士卒，英勇犧牲。
彭德懷一直注視著戰鬥的進展情況，對廣大指戰員鏖戰東南山，英勇拼搏的戰鬥作風深為滿意。他在前線指揮所觀察到，敵人死守丁家灣的一個山頭陣地，我攻擊部隊多次進攻受阻。而在附近擔任「阻敵東進」的一個旅，只顧阻擊，沒能見機行事，協同兄弟部隊出擊。彭德懷在電話上批評該旅旅長表現遲慢。旅長即帶一個團出擊。彭德懷又踏著爛泥直奔該旅指揮所，對在場的旅參謀長說：把機槍布置好。你帶領這個團順山溝下去，再往對面敵陣地衝擊。他對旅首長說：「打仗，戰機非常重要，指揮員要有戰場的全局觀點，善於協同配合，狠狠打擊敵人，不給敵人以喘息的機會。」
經過連日激戰，至3月1日下午4時，西北野戰軍佔領了公路兩側全部陣地，整編29軍軍部被殲。殘敵都被驅趕到溝里，狼奔豕突，爭相逃生。但到處都是解放軍，哪兒也跑不出去。下午5時，增援宜川的胡宗南軍全部被殲。
3月2日，西北野戰軍對包圍宜川的部隊發起總攻。3日上午8時，全殲宜川守敵24旅，旅長張漢初跳山逃跑時，腿摔壞被俘。至此，宜川、瓦子街戰役勝利結束。