1935年11月3日，中共中央成立了西北革命军事委员会，主席毛泽东、副主席周恩来、彭德怀，统一了红军的作战指挥。
并且取消了陕甘支队的番号，恢复了红一方面军番号，下辖红1军团(由原陕甘支队第1纵队和第2纵队组成)与红15军团(由刘志丹领导的陕北红军和长征先期到达陕北的徐海东领导的红25军组成)，司令员彭德怀，政治委员毛泽东，参谋长叶剑英，政治部主任杨尚昆，以便集中主力，形成拳头，打大歼灭战。
劳山、榆林桥战役后，敌军有一个团被红军围困于甘泉城。蒋介石电令东北军第57军加紧对陕北苏区进攻，全部东进，解甘泉之围。第57军军长董英斌即以其109师、111师、108师、106师、120师全部东进，加上东北军王以哲的第67军第117师接应，发动了对陕北苏区的第三次“围剿”。第109师师长牛元峰，自恃武器精良，不把红军放在眼里，积极请命打前锋，率全师直奔直罗镇。
毛泽东深刻分析了陕北第三次反“围剿”的形势和当前的敌情，亲自拟定了一个大的歼灭战计划，决定集中红军主力，在直罗镇布下口袋阵，歼灭来犯敌人。
为了打好这一仗，当时决定凡是伤病员，除了主要指挥员以外，一律不让参战。两个军团逐师逐团地核实战斗力，红1军团左权参谋长负责抓这一工作。当他核实到红13团时，却遇到了“难题”。新调任红13团团长的陈赓与左权是黄埔军校第一期同学，关系非常密切。左权知道陈赓有骨折性战伤，就征求陈赓的意见，是否由他(左权)代替指挥。陈赓坚决不同意，说：“人家新官上任三把火，你却泼我一瓢水！”左权只得让步，要给他配两匹马。陈赓笑着说：“长征我是走来的，不是骑马来的。”左权无法，只得把团特派员欧致富找来，嘱咐说：“你得马上落实一副担架，从现在起，担架不要离开他前后，他算是提前指挥的，明白吗？”担架落实了，陈赓一直不肯坐，当后来因指挥需要不得已叫担架时，他叹气说：“这真是抬将军上阵了。”“抬着将军战直罗”，成为红军战史上的一段佳话。
为了打好这一仗，当时还在下寺湾召开了两个军团的团以上干部会，毛泽东、周恩来、彭德怀在会上亲自动员，做有关的布置。战役发起前两天，毛泽东又亲自组织两个军团团以上干部到直罗镇西南面的小山头上看地形，研究具体部署。
直罗镇，位于葫芦河南岸，三面环山，中间是一条狭窄的河谷，宽处不超过200米，狭窄处只有二三十米。一条道路自西而东穿镇而过。由于路面坎坷不平，车辆难于通行，部队通过时，只能排成一字长蛇阵，蜿蜒慢行。大家边观察边议论，认为这一带确是伏击敌人的良好战场，把敌人放进直罗镇，真如钻进了口袋，便于一鼓歼灭。
11月20日下午，敌109师在师长牛元峰率领下，由6架飞机掩护，旁若无人向直罗镇闯来。担任诱敌任务的红军一个连迎上前去，同敌人先头部队接触，边战边走，向敌人示弱，牵引着牛元峰部往直罗镇跑。战士们名之曰“牵牛”。果然，敌人误认红军抵挡不住，败阵而退，更加趾高气扬，一直追到直罗镇，并占领了直罗镇附近的高地。牛元峰洋洋得意，认为“旗开得胜”，马上叫他的参谋拟发电报，向总部和军部报捷，声称他已占领了直罗镇。他放纵士兵在直罗镇内大肆劫掠群众的米、面、鸡、鸭、猪、羊等，大开筵席，庆祝“胜利”。大小官兵，大嚼大喝，呼幺喝六，划拳饮酒。到后来，一个个醉醺醺地，倒头大睡。
当天晚上，毛泽东、周恩来、彭德怀下达了作战命令。21日拂晓前，红1军团和红15军团，按既定部署，迅速进入出击阵地，将直罗镇紧紧包围了起来。
毛泽东、周恩来、彭德怀亲临前线指挥。毛泽东的指挥所，设在离直罗镇不远的一个小山坡上。战斗打响前，他一再指示各部指挥员，一定要打歼灭战，不要打击溃战。战斗发起后，林彪派人向毛泽东报告情况时，他又一再嘱咐：“要的是歼灭战！”
天刚亮，红军发动了猛攻，直罗镇战役打响了。按照部署，彭德怀和徐海东指挥红15军团和红13团，林彪和聂荣臻指挥红1军团，以迅雷不及掩耳之势，分两路向敌人猛冲。牛元峰虽有防备，但没料到红军会来得这么快，仓促应战，顿时陷于被动。牛元峰被枪声从梦中惊醒，急向军部要电话求援，但已经要不通了，急得在屋内直打转转。
南北两路红军，以强大的攻势，很快占领了敌人据守的两侧高地。据守高地的敌626、627团的两个团长，一个绝望自杀，一个被击毙。红军乘胜进击。两路红军像两只铁拳，从南北高山上猛砸下去，敌625团等被红军压在两山之间的一条山沟里，像一群被赶的鸭子，南边枪一响，敌人仓皇地向北撤；北边枪一响，敌人又慌忙地向南逃。在红军强大攻势下，敌人土崩瓦解，纷纷缴枪投降。东北军是红军的老“运输队”了，过去不少士兵和军官都当过红军的俘虏，他们知道红军优待俘虏的政策，向红军缴枪，已是司空见惯的事。虽然这次出发时，师长牛元峰曾给他们讲话，说什么“过去同共军作战，人家称咱们运输队。从今天起，咱们坚决不当运输队。”可是，他的部下相信红军的政策，远远超过牛元峰的牛皮大话。这一次战斗，牛元峰又当了最后一次“运输队长”，不但“送”了枪，还“送”了一条命。
枪声越来越近，红军的包围圈越来越小，逐渐向镇内逼近。牛元峰见势不妙，慌忙带领师部随从、马匹和驮子等约500人，撤至镇东的一个破寨子里，固守待援。
这个小寨子，战前红军曾拆毁过，但四周的石头墙拆得不彻底，敌人重加垒筑，加之地势险要，居高临下，易守难攻。红15军团军团长徐海东曾派遣一支小部队进行了一次强攻，未能攻下。正准备第二次进攻时，周恩来副主席来了，他用望远镜观察了古寨的地势，又询问了第一次攻击的情况，指示说：敌人已成了瓮中之鳖，不好攻暂且围着算了。寨子里无粮无水，他们总是要逃跑的，争取在运动中消灭它。红军于是围而不攻，枪声逐渐平息。
牛元峰见待援无望，于半夜12时向西突围逃跑。红15军团第75师随即跟踪追击。战士们说：“一定要把这条‘牛’追回来！”红军一气追了几十里，追到直罗镇南的老牛湾，终于全歼了牛元峰残部一个多营。当红军越追越近时，牛元峰突然站住，从腰上把勃朗宁手枪拿出给副官说：“你把我打死。”副官接过手枪照牛元峰右后脑打进一颗子弹，牛元峰当即一命归天。战后，国民党反动派的“军师”
们，煞有介事地搬出宿命论的调子，说什么牛元峰本姓“牛”，又偏偏跑到了老牛湾，犯了姓，终于毙命，这是天意注定，劫数难逃也。这一派胡言，反映了敌人的腐朽、没落和无可奈何的哀鸣。
直罗镇战役，红军歼灭敌人一个师又一个团，共计俘虏敌人5300多人，打死打伤敌人1000多人，缴获枪支3500多支，轻机枪170多挺，迫击炮8门，子弹22万多发。敌人对陕甘根据地的第三次“围剿”被彻底粉碎了。
硝烟落去，毛泽东在总结直罗镇战役胜利的重大意义时指出：这次胜利，为巩固和发展陕北革命根据地，给党中央把全国革命大本营放在西北的任务，“举行了一个奠基礼”。
“长征一结束，新局面就开始。”中国共产党又面临着一个新的历史转折点——由第五次反“围剿”的失败到抗日战争的兴起。
