军委的作战计划是以由少纵围歼109师，三军团、十五军团阻止东北军与西北军的增援。同时命令红一、五军团趁虚而入，直取兵力空虚的庆阳、合水，并策应左路军的战斗。

所谓一招鲜，吃遍天。张城接到中革军委的命令后，与纵队党委成员简单地商议了一下，便决定由三师佯败诱敌，引入一师设置的包围圈，然后两师合力内外开花，一举覆灭109师。

直罗镇，位于陕省富县西45公里，原为汉雕阴县地。直罗镇三面环山，一条大道东西穿过，镇东面是一个不足百户的小土寨，镇北面是那条著名的葫芦河。

其时，民党“西北剿总”部署5个师的兵力，东西对进，企图乘红军立足未稳，控制葫芦河，构成沿葫芦河的东西封锁线，尔后南进北堵，将红军压迫在两道封锁线之间地区加以消灭。

由于此战事关红军能否在陕北立足，关系重大，统帅特地赶来前线慰劳少纵全体官兵。

在战役部署上，统帅特别指示张城要抓住敌第109师师长牛元峰狂妄自大、气焰嚣张，造成该部比较突出、孤立的态势，加上直罗镇理想的设伏地形及有利于红军的群众条件，坚决消灭敌109师。

张城和政委也仔细察看了葫芦河的地形，都认为这片地形仿佛像一个大口袋，是伏击敌军的最佳地点，于是便在统帅的指示下迅速排兵布阵，引诱敌军入瓮。

8月15日下午四点，在民党空军飞机的掩护下，敌先头部队第109师兵分三路沿葫芦河谷及南北山地向直罗镇发起进攻。

周卫国率领三师以以一半的兵力节节抵抗，逐渐将敌诱入一师预设的包围圈之内。

当日晚上八点，早就严阵以待的一师官兵突然向敌发起进攻，从正北和西北方向，进攻直罗镇北山，阻断敌军退路。

三师则顺势发起反攻，从西南、正南和东南三个方向，进攻直罗镇南山及东南地区，阻敌东逃之路。

激战两小时后，敌第109师大部被歼，其残部数百人退入直罗镇东南土寨负隅顽抗，妄想固守待援。

此时，敌东西两路援军已快速逼近直罗镇，为保证部队顺利歼敌，张城决定由三师的七团继续围困敌119师残部，师部主力则以劣势兵力阻击西援之敌第117师。

李云龙的一师则向西迎击东援之敌第106、111师，敌两师遭一师的强力阻击后，因被少纵的威名所震慑，害怕被歼，于次日凌晨纷纷沿葫芦河西撤。

一师乘胜追击，在张家湾地区再歼敌第106师1个团，被七团包围在直罗镇东南土寨的敌第109师残部待援无望，于次日凌晨时决死突围，却迅速被七团全歼，敌第109师师长牛元峰被击毙。

至此，直罗镇战役胜利结束。

此役我军又歼敌1个师又1个团，击毙3千余人，俘敌5千余人，缴获辎重无数，并粉碎了常凯申对陕甘苏区根据地的“围剿”。

直罗镇战役的胜利，给工农红军创建陕北根据地举行了一个奠基礼，也顺势让中央红军在陕北立住了脚跟，形势一片大好。