此时已是７日中午，林彪看了一下手表，连忙从笔记本上撕下一页纸，书写命令，让警卫员先回军团部传达侦察任务。站在一边的毛泽东微笑着，他对林彪的雷厉风行战斗作风显然非常满意。几个小时后，林彪也骑马飞奔回到军团部。
８日，毛泽东收到林彪关于直罗镇附近情况的详细调查报告。但毛泽东对这个调查报告并不满意，复电林彪，要他再次作详细调查，并立即派人绘制直罗镇地形图，附以文字报告。
“各部队在驻地立即自行筹足７天粮食，以保障战役的胜利。一定要做到万无一失，坚决打好这一仗。”毛泽东对直罗镇战役部署的精细程度令所有指挥员感到有一种巨大的压力。
毛泽东房间内的油灯开始彻夜不熄。急促的电报键击打声中，直罗镇战役的倒数计时器开始运作，各部队迅速向指定地点行动。
红１３团团长陈赓接受任务后，高兴地回到部队，召开紧急战斗部署会，他的开场白似乎没有谈战斗，却突然问与会人员：“你们谁杀过牛？”
大家面面相觑，有人点头，多数人摇头回答说没有杀过牛。
“我们这次战斗要杀牛！当然不是草地上杀的那种牦牛。这头牛，在我们进入陕甘后，一直跟着我们啃屁股。我在干部团时，它啃过；到了红１３团，它也啃过。我们虽然砍了它几下牛尾巴，扳了几下它的牛角，但它并没有老实。现在，党中央、毛主席下决心让我们这次回头一击，砸碎牛头，狠狠给它一锤，然后给它开膛破肚！”陈赓形象的比喻，到了这时大家才明白，这头“牛”原来是指国民党军第１０９师师长牛元峰所部。
“好，我们保证把这条牛宰了！”几个营长哈哈大笑后，异口同声地表示决心。
“我们红１３团自从打了娄山关后，一直是当后卫，掩护全军。这次我抢来了这个硬任务，打头阵，拦住头打，一定要狠狠地打。”陈赓攥着拳头，摇晃着。他的羊皮“袄”腋下已经断了线，前后忽闪着的两块羊皮在陈赓的身体上只能说是悬挂着，已经说不上是穿衣。
“我们一定把直罗镇战役的胜利再写到红１３团的战旗上！”几个营长纷纷表示决心。
“但是，我要提醒大家的是，不要杀红了眼就什么也不顾，要注意政治瓦解。毛主席交代了两句口号，大家要记住：一句是‘宽待东北军’，一句是‘欢迎东北军掉过枪口打日本’，记住了没有？”
这两句口号，却一时把大家弄糊涂了。１营营长拧着脖子说：“这是打仗还是去贴标语？”
“怎么，打仗就没有时间贴标语？”陈赓变得严肃起来：“毛主席让我们是又打仗又贴标语，孙子兵法怎么说来？这叫‘不战而屈人之兵’，是最好的作战策略。你一喊话，他就放下枪过来，这才是真本事。大家不要忘记，这股敌人的老家在东北，他们的家乡被日本鬼子占了。”
“嗨，这瓢，简单！”１营营长拍着脑袋抱怨自己说，引得大家都笑了起来。
红军进入紧张而秘密的战前准备，红１军团由毛泽东、周恩来指挥从北向南打，红１５军团由彭德怀指挥由南向北打，对国民党军形成了蟹爪式的两面夹击态势。
１９日，即直罗镇战役发起前两天，毛泽东组织红１军团和红１５军团团以上干部在张村泽西端的川口子会合后，来到直罗镇西南面的小山头上察看地形，研究具体部署。
毛泽东挥舞着手中的木棍，谈笑风声，指点着直罗镇附近的山川村镇。这阵势与其说是战前调兵遣将，倒不如说是教书先生在手执教鞭，推演他胸有成竹的教案。
“在上海，你见过西班牙斗牛士的表演吗？”毛泽东提问陈赓。
“见过，惊险而精彩！”
“那好，现在你就是红军的斗牛士，先把你们１３团的红旗舞起来吧！”毛泽东对陈赓布置“作业”。
“下课”的铃声响了，山头“课堂”上的人们迅速散向四方。陈赓带领担负“牵牛”任务的红１３团小分队赶到太白镇方向去“惹牛”。牛元峰果然经不起四处红旗飘动的再三挑逗，开始发火了。
红军“斗牛士”挥舞红旗在前，“牛”怒气冲冲跟随在后，一头猛向直罗镇撞来。
“牛来了！”红军前哨部队发出战斗信号。
“国民党东北军第１０９师明日有到直罗镇的可能，我军应准备后日作战。”毛泽东通电两个军团。
“走吧！上观战台。”毛泽东说。他的指挥所设立在直罗镇北山吴家台北端高地，从这里可以直接观察整个战场情况。
路上，毛泽东遇到了林彪。毛泽东把几个指头扭在一起，向林彪做了一个只有他们两人才明白的动作，笑着擦身而过。
“主席是什么意思？”参谋人员问林彪。
林彪没有言语，他走进军团指挥所，向着各师长命令：“要记住，我们要的是歼灭战，不是击溃战。只有歼灭战才有棉衣穿，这是毛主席的指示！”
２０日下午，国民党军在红军小部队的节节抗击引诱下，进了直罗镇。先开进直罗镇的是国民党军第１０９师的３个团，后面的第１０６师开到黑水寺附近，就不敢再向前走了。于是，第１０９师就成了红军先歼灭的对象。
“进入前沿阵地，准备出击！”毛泽东见已是火候，下达了预击命令。
红１军团主力部队在接敌的这天晚上，却因走错了路，比预定时间迟到了１个小时。毛泽东等得焦急不安。
红１军团终于赶到预击位置。
“你们怎么现在才到，我等你们好久了！”毛泽东对林彪和聂荣臻提出了严厉的批评。
“因夜暗，我们走错了路。”聂荣臻解释。
“没有什么可解释的。晚到了就是晚到了。赶快命令部队展开，记住：不要打成了击溃战，我们要的是歼灭战！”毛泽东再次强调打好这一仗的战役指导思想。
根据毛泽东的部署，林彪、聂荣臻指挥红１军团由镇北向南进击，其第２师３个团、第４师两个团和第１师的红１团直接攻击镇中国民党军；彭德怀、徐海东指挥红１５军团由镇南向北进击。各部乘夜色迅速包围了直罗镇。
毛泽东站立在北山坡吴家台北端高地上。这里有几所破窑洞，３部电台联通了与红军各部队的指挥。
为了便于直接观察战场情况，指挥战斗，毛泽东没有进窑洞，却把指挥台设立在窑洞口一块大青石板上。
聂荣臻把军团部的警卫连放在毛泽东身边，加强警卫，以防万一。
“主席，你怎么上来了？”阵地上，红军指战员看到毛泽东等人也来到前沿阵地，出现在战士面前，既兴奋又担心。
“只准你们打仗，就不准我到这里来观观风景。我猜想，这场面肯定很美哩！”毛泽东笑呵呵地说。
“这里很危险！”
“你们不是更危险。这一次，我要亲眼看看牛元峰这头‘牛’挨宰呢！”
周恩来走到战士中间，抚摸着战士们身上单薄的衣服，亲切地问候：“同志们衣服单薄，很冷啊！”
“冷是冷，可我们不怕！”战士们的回答很响亮。
“很好，很好，就要有这个精神。不过，等一会你们就可以向敌人要棉衣喽！”周恩来的话引得大家都笑了起来。
毛泽东也在开怀大笑，他习惯性地把双手叉在腰中，说道：“我们这次设了个口袋，把国民党１０９师这头‘牛’引进来了。我们用１５军团拦头，４师堵尾，２师截腰，只要大家协同好，是能够把这头‘牛’牵过来剥皮开膛的。我们也就有了穿的和吃的，就可以在陕北扎下根，安下家。如果这一仗打不赢，我们在陕北就难站住脚，只好到新疆去，打通国际路线，那是我们极不愿走的继续走的长征路。”
“我们一定要打好这一仗，为革命把家安在陕北！”指战员们纷纷表示决心。
１１月２１日５时３０分，拂晓，红军完成了直罗镇战役的全部部署。
“行动！”毛泽东的声音不大，出口后立刻变作电闪雷鸣。
千军万马冲杀向直罗镇。战斗打响，冲锋号频吹，拚刺声震天，山鸣谷应。
几路红军迅速占领了直罗镇周围的山头，控制住所有制高点，镇周围的国民党军全部被压到了山沟底。红军立即缩小包围圈，从南北两侧山头向镇中冲下去。
打到上午１１时，红２师首先攻入直罗镇。红１５军团将国民党军设在南面山上的阵地突破。国民党军像一群无头的苍蝇，从东涌到西，又从西窜到东。
直罗镇内外，两军激战在一起。
６架闪耀着青天白日标志的飞机在天空中吼叫着来回低飞，却难以寻找缝隙，分辨清敌我，把炸弹投下去。
红军胜利攻占直罗镇中的国民党军师部。牛元峰到了这时才后悔低估了刚经过长征的红军的战斗力，远不是“精疲力竭”。他只好带１个营逃进了镇东头的那个土围子，凭借寨墙继续顽抗。
“围而不攻，打而不拚！”毛泽东下令。
“为什么？”正在胜利追击中的红军指战员感到不理解。
“为减少部队伤亡，避免打消耗战。”毛泽东的解释很简单：“我们这些经过雪山草地能够生存下来的红军指战员，个个都是宝贝呀！敌人拿１００个换我们１个，我们都不能干！”
中午时分，国民党军１个团的兵力突然窜出包围圈，直向红１军团指挥部冲来。这个阵地，本来是由红２师师长陈光负责带１个团来坚守的，但现在还没有来得及赶到。
“一定要把敌人堵回去！”聂荣臻一看形势紧迫，只好亲自挥枪上阵。
这时，军团部只有１个警卫排，情况非常危急。
“听我的命令，直属队所有人员操枪进入阵地！”林彪的动作很果断，说话间他的手枪已经横在胸前。
但是，直属队没有充足的子弹，每人仅有４发。警卫排又没有长枪，只能用驳壳枪进行短距离射击。
“多准备些手榴弹，等敌人靠近了再打！”左权参谋长命令道。
１０００多个国民党军官兵猫着腰转眼间已经冲到了阵地前。聂荣臻、林彪、左权带领直属队的红军战士们首先把手榴弹砸向敌群。
手榴弹在轰响爆炸，尘土飞扬。
“好长时间没有像这样扔手榴弹了，还行！”林彪边扔边说。
如此近战打到军团的首长亲自扔手榴弹，在以后就极为鲜见了。反正林彪在以后再也没有这样扔过手榴弹。
红军战士们人人英勇奋战，阻击战斗打得相当艰苦。
“快！快把侦察连和工兵连调上来。不要动用在毛主席那里的警卫连。”左权向通信员命令。
聂荣臻挥动着驳壳枪，指挥着战斗。警卫员孙起锋紧跟在聂荣臻的身边，操双枪向着敌人射击。一股敌人冲上来了，孙起锋突然跃起，挡在聂荣臻的前面。
“小孙，注意隐蔽！”聂荣臻见孙起锋向前跃进了几步，朝着敌人狠狠打去，急忙喊叫道。
孙起锋的枪口下，倒下了几个敌人。国民党军的又一次冲锋被打退了。突然，只见孙起锋的身体摇晃了一下，扑倒在地上。
鲜血从孙起峰的胸口涌出，染红了军衣，浸透了他时刻背在身上的地图背囊。
“小孙！你怎么啦？”聂荣臻跑上前来，抱起了孙起锋。
孙起锋已经停止了呼吸。
聂荣臻从孙起锋的身上解下图囊，背在自己的身上。这个图囊后来一直由聂荣臻保存着，后来交给了北京军事博物馆。
战斗打到中午，嘹亮的军号声中，红军增援部队到了。
“反冲锋！”林彪命令。
红军战士们呼喊着“杀”声，向山下冲击。
林彪大步向毛泽东的指挥所走去。
“天快黑了，要注意不要让土围子里的‘牛’跑了！”毛泽东提醒林彪。
土围子战斗在继续进行着，红军围而不打，给了牛元峰喘息的机会。
“快！增援我们！我们在直罗镇遭到了共军主力的围攻。”
牛元峰对着无线电报机惊呼。
“混蛋！你们１个师就打不过共军那几个散兵。我告诉你，共军的主力在黑水寺，１０６师在那里遭到共军主力攻击，你们应该增援他们！”国民党军军长董英斌训斥牛元峰。
“完了，完了！”牛元峰一听增援部队没有了希望，狠狠地摔下了话筒。
“喂？喂？喂！”话筒中董英斌急促的声音还在大声吼叫着。
“娘的！竟弄到了这种山穷水尽的地步，只有靠我们自己了，突围！”牛元峰在内外交困的情况下，决定趁夜暗率残部逃出土围子。
漆黑的夜幕中，牛元峰连滚带爬悄悄溜出了土围子。
此刻，毛泽东并没有休息，牛元峰的一行一动都在红军的密切监视之下。毛泽东对林彪说道：“可以命令红７５师出击了！”
直罗镇西南的山头上，手榴弹爆炸的火光骤然升起。红７５师一阵穷追猛打，刚刚逃出土围子的牛元峰残部被全部包围歼灭。
国民党第１０９师的两个团和师直属队到此时已被全部围歼，无一漏网。镇子东头土寨子等地的国民党守军，于２３日突围，也被红１５军团在追击途中歼灭。
直罗镇战斗后，红军回头北进，准备消灭黑水寺的国民党军第１０６师。第１０６师得知第１０９师在直罗镇被歼，立即逃跑。
毛泽东命令红１军团追击，并指示聂荣臻：“这个１０６师师长沈克过去与我们有联系，你们在打了胜仗后要释放几个俘虏军官，让他们捎话给他们的上司，只要东北军同意反蒋抗日，与红军停战，我们现在俘获的人和枪，可如数归还。”
聂荣臻率领部队又消灭国民党军１个团，并遵照毛泽东的意图释放了一批俘虏。这对于以后争取东北军建立抗日民族统一战线起了很好的推进作用。
直罗镇战役，共歼灭国民党军第１０９师全部和第１０６师１个团，师长牛元峰被击毙，俘虏团长以下５３００余人，打死打伤１０００余人，缴获枪３５００多支，轻机枪１７６挺，迫击炮８门，无线电台２架，子弹２２万多发，棉衣等装备一大部。