直罗镇是一个不过百户人家的小镇,三面环山,一条从西而来的大道穿镇而过,北边是一条小河。干部们看过后兴奋地说:“这一带的地形,对我们太有利了!”“敌人进到直罗镇,真如同钻进了口袋。”
11月18日,在直罗镇以东的东村,毛泽东主持召开西北军事委员会议,作关于战略计划的报告。指出:大量消灭敌人,猛烈扩大红军,扩大苏区,是三位一体的任务。战略方针是攻势防御。建议将红军主力集中南线。会议通过毛泽东这个报告,要求两个军团分别付诸实施。
11月19日,毛泽东和彭德怀致电第一军团军团长林彪、政治委员聂荣臻,指出东北军第109师明日有到直罗镇的可能,我军应准备后日作战。在发起进攻前,他又要求红一军团和红十五军团的团以上干部到直罗镇周围,察看地形,研究具体作战部署。
11月20日下午,东北军第109师在飞机掩护下孤军深入,沿葫芦河进入直罗镇。当晚,毛泽东下达命令,按原定部署,红一军团从北向南,红十五军团从南向北,在拂晓前包围直罗镇。毛泽东的指挥所设在距直罗镇不远的一个山坡上。战斗打响前,他在下达作战命令时斩钉截铁地说:“这个仗,一定要打好!”“我们要的是歼灭战,不是击溃战!”
11月21日拂晓,红军突然从南北山上向直罗镇猛扑下去。第一○九师仓促应战,激战至下午二时,大部被歼。红军在打援中又歼灭援军第一○六师的一个团。
到11月24日,第一○九师残部在突围中被红军全歼。直罗镇战役的胜利,打破了国民政府军队对陕甘根据地的“围剿”,用毛泽东的话来说:是“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”。
直罗镇战役结束后,毛泽东等从前线回到后方的瓦窑堡。他和中共中央其他负责人一起,听取五人小组关于审查刘志丹等“案件”情况的汇报,指出:“逮捕刘志丹等同志是完全错误的,是莫须有的诬陷,是机会主义,是‘疯狂病’”,应予释放。