冒雨改行西北方向，尚未脫離險境。這幾天，彭德懷每天只喝幾口小米粥，很少睡眠。他長時間坐在指揮所裡，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。指揮所裡鴉雀無聲，參謀們進出窯洞，都輕手輕腳，生怕打斷他的思路。
據敵軍將領回憶，整編三十六師18日進至烏龍鋪以南地區，同我軍約一個旅的兵力發生戰鬥。我軍且戰且退，不即不離，緊緊牽住三十六師。將近黃昏，敵三十六師第一二三旅前進到烏龍鋪北山，與劉戡指揮的整編第五十五旅取得了聯絡後，在北山露營。第五十五旅在距離第一二三旅右翼約20裡的山樑上露營，此時，鍾松認為萬事大吉了，於是率領著他的指揮部和第一六五旅大部人馬由鎮川堡進至沙家店。
當晚1 點鐘的時候，敵一二三旅旅長劉子奇突然接到鍾松十萬火急的電報，說解放軍分幾路逐漸向沙家店靠近，命他迅速向師部集中。第一二三旅與師部的駐地相距雖僅30餘里，但中間須經過幾道大山樑和深溝，沿途又沒有部隊掩護，況且旅的正面還處在戰鬥接觸狀態下，因此劉子奇不敢夜間行動，怕中途遭到解放軍伏擊。他同旅參謀長研究了一下，決定由本旅掩護，把配屬的第一六五旅四九三團先行撤走，按指定的路線到師部歸還原建制；第一二三旅在天明之前撤下，隨四九三團跟進，相互掩護，避免意外。
實際上，8 月18日上午，敵第三十六師第一二三旅及第一六五旅第四九三團進至烏龍鋪以北之劉家溝，已被我第三縱隊一部及綏德軍分割槽第四、第
六團箝制於該地。鍾松整編三十六師師部及第、一六五旅（欠四九三團）由鎮川堡取道沙家店向烏龍鋪前進，進至常高山時，受到我第二縱隊及教導旅的攻擊。但因攻擊時機過早，迂迴部隊未趕到，我未能殲敵。敵退至泥溝以北、張家坪以南地區構築工事。我第一縱趕至沙家店附近地區隱蔽集結。
18日戰鬥後，劉戡並未增援鍾松而率主力五個旅繼續北進。19日佔領神泉堡和佳縣城。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，決心仍先行殲滅第三十六師。同時，適當調整了部署，以新四旅抗擊回援之敵一二三旅。
19日，彭德懷報告中央軍委：“擬於明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復報：“完全同意你對三十六師的作戰計劃。”此時，毛澤東和中央機關已轉移至鎮川堡正北80裡之梁家岔地區（老蘇區）與主力會合，從而結束了自小河出發以來19天艱苦的長途行軍。
8 月20日拂曉，西北野戰軍第一、第二縱隊向敵整編三十六師發起攻擊。
該師第一二三旅為解其師部之圍，由烏龍鋪折回，被教導旅和新四旅包圍於常高山附近。彭德懷命令：堅決把一二三旅消滅掉，不能讓它往西靠。就這樣，三十六師的兩個旅被分割兩地，全部被包圍，敵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敵，彭德懷發出指令：“徹底消滅三十六師，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，“立即消滅三十六師，活捉鍾松，號召你們本日黃昏以前勝利完成戰鬥任務！”西北野戰軍主力如猛虎下山，挾著萬鈞之勢，向鍾松部撲過去。戰鬥異常激烈，下面是敵第一二三旅中將旅長劉子奇的一段回憶：19日早晨6 時左右，孫團（指整編第一六五旅孫鐵英團）已到達烏龍鋪南面山樑，整第一二三旅的第三六八團及旅部剛透過烏龍鋪，第三六七團還在後面的北山坡。這時候聽到了沙家店方面的槍炮聲，知道戰鬥發動了，而且槍聲愈來愈緊，戰鬥形勢發展得很快。劉子奇認為時機急迫，即就地召來各團長研究當前情況和地形，為急求解除沙家店師部之圍，決定全旅離開孫團行動，取捷徑直接向進攻師部的解放軍感受威脅最大的左側翼急進，當即將部隊重新部署行動，以第三六八團為先頭團，並派一個營為先遣隊（大約是第三六八團第一營）佔領常高山北面的制高點，以掩護旅主力進出常高山。
先遣隊將進至常高山山麓時，突然遭到正前方和右側方的解放軍猛烈射擊，前進受阻。這時旅主力已進到一處地形狹長而比較低窪的山樑上，亦稀疏地受到解放軍的火力射擊。預定奪取的制高點，已被解放軍佔領，這是兩方的關鍵性地點，我旅一定要奪到手才有活動餘地。在嚴令第三六八團迅即攻佔制高點的同時，也考慮到防守的問題，當令各部隊就地構築工事，作好防衛準備。由於解