红军领导人很快就觉察到敌人的战略意图，根据敌情，制定了在直罗镇歼灭敌人一到两个师，然后根据情况扩大战果的作战方针。
陕北红军司令部做出具体部署：首先放敌人进入直罗镇，然后围而歼之，之后，采取侧击战术，歼灭附近的敌人，之后再歼灭敌人的后续梯队。为了确保直罗镇战役的胜利。司令部要求包围甘泉的部队继续围困甘泉之敌，另派一个团的部队放在西部，防止敌人从西部增援。
直罗镇是一个大的集镇，地处葫芦河的中间，是连接甘肃和陕西的一个非常重要的战略节点。直罗镇三面环山，北面是河，它实际上处在峡谷之中，不适合大兵团作战。
东北军将领董英斌的四个师首先进入太平镇，但是进驻太平镇以后，他却不敢冒进，而是在太平停了下来，并且一停就是半个多月。陕北红军的目的是在直罗镇打一场歼灭战，而董英斌却不受红军引诱调动，怎么办？
于是红军先对甘泉之敌发动攻击，以此来调动董英斌的57军。董英斌就召集各师师长开会，会上通报了红军的情况。东北军第109师师长牛元峰沉不住气了，他提出带领自己的部队从直罗镇抄近路攻击红军，跟67军会师。
牛元峰是张学良跟前的红人，比董英斌还吃香，董英斌当然没有反对他的理由，但董英斌为了慎重起见，给牛元峰加派了一个团的兵力，并告诫牛元峰，直罗镇地处红军腹地，一定要特别小心，不可轻敌，占领直罗镇之后，牛元峰要回来向董英斌报告。
11月20日，牛元峰指挥109师向直罗镇开进，董英斌还派出了6架飞机担任空中支援。109师虽然也遇到红军的抵抗，但是两军交火不久，红军就被打得溃不成军。这是红军的诱敌之策，牛元峰还以为自己的东北军部队真的能打。
牛元峰不费力气就拿下了直罗镇，他又派出两个团占领南北两山的制高点，其余部队驻扎在镇内。牛派人向董英斌报告说已经顺利占领了直罗镇。之后109师全军上下大吃大喝，他还放纵手下强夺百姓的粮食和财物。到了晚上，官兵都吃喝抢掠累了，放心地睡起大觉来。
请君入瓮。
敌人已经入翁，红军开始按照原计划实施歼灭战。
红军领导把指挥部设在了东面山坡上。彭德怀和徐海东指挥十五兵团，他们把指挥所设在南面的山坡上，而林彪和聂荣臻则指挥第一兵团，他们的指挥点互成三角形。
参与指挥这次战斗的除了彭、林、聂三位红军名将外，还有罗荣桓和叶剑英。另外除了徐海东以外，还有陈赓、张云逸、肖劲光、罗瑞卿和黄克诚等诸多悍将。
1935年11月20日晚，主要领导下达总攻命令，第一军团从北面发起攻势，而十五军团则从南面进攻。牛元峰从睡梦中被枪炮声惊醒，连忙向董英斌军部求援，但是他的电话线早被剪断。
战至21日，牛元峰只带领一个营的兵力突围出去，但是红军却紧追不舍。眼看他带的残兵就要被歼灭，他就把手枪交给副官，让副官结果了自己的性命。牛元峰战死。
西北剿总晏道刚得知109师被围，急忙命令各路人马去搭救。红军早有准备，精兵强将把救援的敌军阻击在直罗镇外围不能前进一步。
董英斌的部队从太平镇出动，却遭到红军的反杀。董英斌救援不成，反而被红军追击，其106师的一个团遭到红军的围歼。董英斌仓皇逃回太平镇，依靠坚固的工事，坚守不出。
红军考虑太平镇驻军较多，又有坚固的工事，特别是红军还想争取东北军反蒋抗日，就没有对太平镇发动猛攻。至此，直罗镇歼灭战顺利达成了作战目的。东北军109师和110师整师被全歼，106师一团被全歼，此战共歼敌1000多人，俘虏敌人5300多人，并缴获大量武器装备。
直罗镇战役，打破了老蒋对陕北根据地的围剿，为红军在陕北站稳脚跟打下了坚实的基础。
红二方面军和红四方面军都
