晚上二十三時，彭德懷來電:“擬于明日拂曉包圍沙家店附近敵之兩側而殲滅之，因此不能到中央住地去，請中央轉移到劉全塌［離梁家岔二十里］以靠近主力。”毛澤東命令九支隊輕裝，準備七天的干糧，把文件燒毀，準備隨時向西突圍。他說:“沙家店一帶要打大仗，兩軍主力都集中在這里，地區狹小，打得好，我們轉危為安，不走了；打不好，我們就往西走，出長城，進沙漠。”

　　形勢所迫，對國民黨軍整編三十六師的作戰，將決定共產黨人在陜北的命運。

　　攻擊在瓢潑大雨中開始。一縱和二縱首先將整編三十六師師部和一六五旅包圍在沙家店地域，隨之發動了猛烈的攻擊。鐘松對突然遭到攻擊有些不知所措，立即命令部隊在泥溝以北、張家坪以東迅速構筑防御工事進行抵抗，同時急令前面的第一梯隊一二三旅迅速向沙家店靠攏。

　　戰后一二三旅旅長劉子奇回憶道:

　　解放軍由正面和右側同時發動反攻，以壓頂之勢從兩面高山殺下，向整第一二三旅全線陣地猛沖，有的陣地被輪番連續沖擊發生白刃肉搏，死傷枕藉，干部傷亡很多，炮兵營長亦遭炮火擊斃，山炮一門被擊毀，兩門因無炮彈已成癱瘓，騾馬被打得四散亂奔。派往后面掩護并與援軍聯絡的一個加強排也無蹤無影。在戰斗緊張時候，雖由西安派來三架次飛機參戰，投下幾枚小炸彈，對解放軍絲毫沒起作用。首先第三六八團陣地全部被毀，團長失蹤，官兵沒退回一人。由于一個團被消滅后，旅只殘存三個小山頭的陣地，解放軍的火力更加猛烈地集中在這塊狹小的陣地上，更顯得銳不可當。第三六七團的大部官兵傷亡，陣地失守，電臺被炮彈打得粉碎，同各方聯絡斷絕，情況不明。各路援軍均被解放軍阻擊未到，而解放軍則不斷向陣地周圍擁來。這時候我看到前途已經絕望，立即帶著殘部突圍，多次沖擊俱未成功，混戰到將近黃昏時，終于全軍覆滅。

　　劉子奇突圍未成被俘。

　　沙家店一戰，西北野戰軍斃傷國民黨軍整編三十六師兩千余人，俘虜四千余人，總計六千余人。西北野戰軍傷亡總計一千八百三十九人。戰斗結束后，毛澤東、周恩來和任弼時一行親臨沙家店戰場，毛澤東對官兵們說:“沙家店這一仗確實打得好，對西北戰局有決定意義，最困難的時期已經過去了。”

　　是夜，胡宗南在日記中寫道:

　　本夜作戰會報判斷匪以全力攻三十六師師部，其對五十五、一二三、一六五各旅皆為牽制隔絕，使眩感于眼前形勢，不敢奮進，使三十六師師部陷于孤立而被消滅。夜不能睡。