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。
直罗镇战役的胜利和陕北肃反扩大化问题的纠正，使陕甘革命根据地原来面对的两个最紧迫的问题得到了解决，使中共中央能够在这里站定了脚跟，能够获得一个相对安定的环境来考虑和处理许多带全局性的问题。
1935年，日本帝国主义大大加快了他们企图独占中国、不断扩大对中国的侵略的步伐，并且把矛头进一步指向华北，使中华民族同日本侵略者之间的民族矛盾急遽上升了。12月9日，北平爆发了“一二九”学生爱国反日运动。