決心要先來敲整編三十六師。他認為這個師雖是胡宗南三大主力之一，但經過長途行軍，嚴重減員，也己是疲憊之師；而鍾松剛愎自用，利令智昏，為再立“戰功，” ，竟遠離主力，孤軍冒進。因此，它又是一支“驕兵”。彭德懷說：“‘驕兵必敗’！要利用三十六師的弱點消滅它。”17日，彭德懷把野戰軍主力隱蔽集結於鎮川堡東北地區待機，命令各部觀察地形，準備戰場。
這時，毛澤東、周恩來和任弼時率領的中央機關，剛經過烏龍鋪向北轉移。而南北對進的劉裁、鍾松兩部敵軍，相距只有百里左右。如南北之敵會合，東向封鎖黃河各渡口，並控制無定河及米脂、佳縣之線，中共中央機關和野戰軍將被擠在佳縣、米脂、榆林3縣間南北三四十里，東西五六十里的狹小地區內。這裡，北面是浩瀚的沙漠，東面是滾滾黃河，西、南是無定河和敵軍，野戰軍將處於側水側敵，迴旋餘地很小的困難處境。中央領導的處境更是異常危急嚴峻。一貫鎮定的彭德懷在和參謀長張文舟等人研究如何保障毛澤東和中共中央的安全時，也不禁滿頭是汗，把軍帽摘下來放在桌子上，時而細看地圖，時而來回踱步。他對張文舟說：“必須切實保障黨中央的安全，要給中央以安全感。”為確保萬無一失，立即派許光達率領第三縱隊，到烏龍鋪、曹莊一帶接應和掩護中央機關轉移。後來又急電中央軍委和毛澤東，請中央機關向佳縣西北方向轉移，靠近野戰軍主力。
8月17日，劉裁率主力北進至吉鎮以南地區。同日，鍾松將該師分為兩個梯隊，以第一二三旅為前梯隊，由鎮川堡向佳縣西的烏龍鋪突進。鳥龍鋪距劉勘和鍾松兩部都只有幾十裡，是敵人的會合點。依據鍾松部分路前進情況，彭德懷斷定其主力必將經沙家店地區東進，決心在其未與劉裁靠攏前，在運動中殲滅之，以粉碎敵人的合圍夾擊計劃，確保中央機關的安全，改變西北戰局。
8月18日3時30分，彭德懷釋出“以伏擊姿態殲滅該敵三十六師”的命令。命第三縱隊（並指揮綏德軍分割槽兩個團）以一部兵力吸引鍾松的前梯隊，以主力抗擊劉裁所部，阻止該敵與三十六師會合。集中一、二兩個縱隊和教導旅、新四旅，先殲滅三十六師的後梯隊，再殲其前梯隊，以收各個殲敵之效。當天上午，野戰軍主力與敵交鋒，因天降大雨，敵之後梯隊倉惶撤至沙家店地區。
當日晚，野司接電報得知，葭蘆河因大雨水漲，不能徒涉，毛澤東和中共中央機關無法向北轉移，改為向西北方向冒雨行進，尚未脫離險境。彭德懷用手指在地圖上估量著兩路敵軍相距的里程，板著臉一言不發。他坐坐站站，對著地圖沉思。作戰值班室裡鴉雀無聲。參謀們進出窯洞，都是輕手輕腳，生怕打擾了他運籌殲敵的思路。彭德懷要參謀通知部隊，繼續嚴密監視敵人，一有情況，立即報告。這幾天，他每天只喝幾口小米粥，很少睡眠。
18日戰鬥後，劉裁併未增援鍾松而率主力5個旅繼續北進。19日佔領神泉堡和佳縣城。鍾松率整編三十六師師部及一六五旅，在沙家店附近高地構築野戰工事。這時鐘松發現西北野戰軍主力並未渡河，而在他部隊的附近，急電其前梯隊一二三旅回撤沙家店。彭德懷分析兩部敵軍態勢，判斷敵軍並未摸到西北野戰軍意圖，決心仍先行殲滅第三十六師。同時，適當調整了部署，以新四旅抗擊回援之一二三旅。
19日戌（19—21）時，彭德懷報告中央軍委：“擬於明號（天）拂曉包圍沙家店附近敵之兩側而殲滅之。得手後逐次向東北各個殲擊之。”20日3時，毛澤東親擬中央軍委覆電：“完全同意你對三十六師的作戰計劃。”毛澤東和中央機關是在19日轉移至“鎮川堡正北80裡之梁家岔地區（老蘇區）與主力會合”的，從而結束了自小河出發以來19天的長途艱險行軍。中央在8月21日特電告中央工委、中央後委及各戰略區說：“大家都安全”，以解除各方的掛念和憂慮。
8月20日拂曉，第一、第二縱隊向整編三十六師發起攻擊。該師第一二三旅為解其師部之圍，由烏龍鋪折回。午後被野戰軍教導旅和新四旅包圍於常家高山附近。彭德懷命令：堅決把一二三旅消滅掉，不能讓它往西靠。就這樣，整編二十六師的兩個旅被分割兩地，全部被包圍，前後兩個梯隊無法相顧。
為了在劉裁趕到之前迅速消滅被圍之二十六師，彭德懷發出了殲敵動員令：“徹底消滅三十六師，是我西北戰場由戰略防禦轉入戰略反攻的開始，收復延安解放大西北的開始”。要發揚無限英勇的精神“立即消滅三十六師，活捉鍾松，號召你們本日黃昏以前勝利