晚上二十三时，彭德怀来电:“拟于明日拂晓包围沙家店附近敌之两侧而歼灭之，因此不能到中央住地去，请中央转移到刘全塌［离梁家岔二十里］以靠近主力。”毛泽东命令九支队轻装，准备七天的干粮，把文件烧毁，准备随时向西突围。他说:“沙家店一带要打大仗，两军主力都集中在这里，地区狭小，打得好，我们转危为安，不走了；打不好，我们就往西走，出长城，进沙漠。”

形势所迫，对国民党军整编三十六师的作战，将决定共产党人在陕北的命运。

攻击在瓢泼大雨中开始。一纵和二纵首先将整编三十六师师部和一六五旅包围在沙家店地域，随之发动了猛烈的攻击。钟松对突然遭到攻击有些不知所措，立即命令部队在泥沟以北、张家坪以东迅速构筑防御工事进行抵抗，同时急令前面的第一梯队一二三旅迅速向沙家店靠拢。

战后一二三旅旅长刘子奇回忆道:

解放军由正面和右侧同时发动反攻，以压顶之势从两面高山杀下，向整第一二三旅全线阵地猛冲，有的阵地被轮番连续冲击发生白刃肉搏，死伤枕藉，干部伤亡很多，炮兵营长亦遭炮火击毙，山炮一门被击毁，两门因无炮弹已成瘫痪，骡马被打得四散乱奔。派往后面掩护并与援军联络的一个加强排也无踪无影。在战斗紧张时候，虽由西安派来三架次飞机参战，投下几枚小炸弹，对解放军丝毫没起作用。首先第三六八团阵地全部被毁，团长失踪，官兵没退回一人。由于一个团被消灭后，旅只残存三个小山头的阵地，解放军的火力更加猛烈地集中在这块狭小的阵地上，更显得锐不可当。第三六七团的大部官兵伤亡，阵地失守，电台被炮弹打得粉碎，同各方联络断绝，情况不明。各路援军均被解放军阻击未到，而解放军则不断向阵地周围拥来。这时候我看到前途已经绝望，立即带着残部突围，多次冲击俱未成功，混战到将近黄昏时，终于全军覆灭。

刘子奇突围未成被俘。

沙家店一战，西北野战军毙伤国民党军整编三十六师两千余人，俘虏四千余人，总计六千余人。西北野战军伤亡总计一千八百三十九人。战斗结束后，毛泽东、周恩来和任弼时一行亲临沙家店战场，毛泽东对官兵们说:“沙家店这一仗确实打得好，对西北战局有决定意义，最困难的时期已经过去了。”

是夜，胡宗南在日记中写道:

本夜作战会报判断匪以全力攻三十六师师部，其对五十五、一二三、一六五各旅皆为牵制隔绝，使眩感于眼前形势，不敢奋进，使三十六师师部陷于孤立而被消灭。夜不能睡。