“报捷”，然后又命令一一一师六三二团归还原建制，接着传令下属杀猪宰羊，庆贺“旗开得胜”。酒足饭饱之后，牛元峰放心地睡起大觉来。他做梦也没想到，他和他的部队已经进入红军布下的天罗地网。
晚上，毛泽东命令红一方面军急行军进入前沿阵地。陈赓特别来劲，感到大显身手的时候到了。他不肯坐担架，而是拄起棍子一瘸一拐地往前赶着夜路，可怎么也跑不快，渐渐地落在了部队后面。特派员欧致富急了，马上命令：“警卫员，背团长！”陈赓这时也不好拒绝，只好由两个警卫员轮流背了一段路。尽管这样，还是和部队拉开了距离。陈赓这回急了，忍不住叫了起来：“担架！”于是，担架队员和警卫员扶陈团长上了担架，抬起就走。陈赓说：“辛苦你们了，”又叹气道，“这真是抬将军上阵了！”从此以后，“抬着将军战直罗”成为红军战史上的一段佳话。
经过一夜的奔跑，红一方面军参战的部队都按时到达了指定位置，乘夜色包围了直罗镇，占领了周围山头，控制住所有制高点。
毛泽东的指挥所设立在距直罗镇不远的一个山坡上。这里有几孔破窑洞，为了便于直接观察战场情况，指挥战斗，毛泽东没有进窑洞，而是把指挥台设在窑洞口一块大青石板上。他兴致勃勃地对身边的人说：这一次，我要亲眼看看牛元峰这头“牛”挨宰了！各部队负责同志务必注意，伤其十指不如断其一指，一定要打歼灭战。
“追牛”、“宰牛”的戏接着往下演。21日，天刚蒙蒙亮，毛泽东一声令下，只听得三声枪响，两路红军如两只铁拳，从南北两面的高山上向直罗镇牛元峰部砸了下来。另以一部分部队直插黑水寺，堵住敌军退路，并牵制黑水寺之敌。顿时漫山遍野红旗飞舞，枪声震天，杀声四起。牛元峰师猝不及防，转眼间成了瓮中之鳖。在红军排山倒海般的攻势下，牛元峰师被夹击在两山之间的一条川谷中，溃不成军，狼奔豕突。
打到上午11时，红军两路部队已将敌军分割包围，红二师首先攻入直罗镇，占领了牛元峰的师部。国民党军士兵像一群无头的苍蝇，到处乱窜。红军漫山遍野去抓俘虏。有的国民党士兵连声说：“我举过两次手了，别打，别打！”那些顽抗的国民党士兵，很快被红军击毙。
到此时，牛元峰才意识到低估了红军的战斗力，只好带着一个营逃进了镇东小寨子里，修筑工事，负隅顽抗。镇东小寨虽被红军战前拆毁，但地形险要复杂，易守难攻，加之敌军昨天来后，抓紧抢修，部分已经恢复。红十五军团第一次猛攻没有成功，正准备发动第二次猛攻时，周恩来指示：敌人已成瓮中之鳖，暂缓攻击，围而不打；寨子里既没粮，又没水，他们总是要逃跑的，争取在其突围时把他们消灭干净。
这一招真灵。牛元峰蹲在寨子里，一个电报接一个电报发出去，要求五十七军代军长董英斌马上派兵前来解围。董英斌派出第一〇六师、第一一一师由黑水寺前来增援，没到半路上就遭到红一军团主力和红十五军团两个营迎头痛击，被打得焦头烂额，调头便跑。红军则乘胜追击，在张家湾至羊角台途中歼灭了第一〇六师六一七团。在待援无望、缺粮少水的情况下，23日半夜，牛元峰率残部向西突围逃跑。红十五军团随即跟踪追击，战士们说：一定要把这条“牛”追回来。红十五军团战士一口气“追牛”25里，将牛元峰残部一个营全部歼灭。这时牛元峰身边只剩下了两个手下，红军越追越近，在后面高喊“缴枪”。牛元峰眼看自己快要成为红军的俘虏，沮丧地抽出腰上的手枪，试了几次，却又不敢向自己的脑袋开枪，于是就把手枪交给副官说：“你把我打死。”副官接过手枪，照牛元峰右后脑打进一颗子弹，这头“牛”顿时面颊炸碎而死。
至此，直罗镇战役胜利结束。山坡上、镇子里，到处堆积着缴获的枪支弹药，到处聚集着被俘虏的国民党官兵。胜利的喜悦，洋溢在每个红军战士心里。
回师路上，特派员欧致富要陈赓坐着担架回去，陈赓说什么都不肯坐，命令两名担架队员去抬其他伤员。他风趣地说：“你要知道，抬上阵光荣。抬下阵呢？人家说你是‘败将’。多难听呀！再不坐了！”
直罗镇战役，全歼国民党军第一〇九师全部和第一〇六师1个团，俘敌5300余人，打死打伤1000余人，缴获大批武器装备。红军指战员在战役结束后全部穿上了棉衣。直罗镇战役粉碎了蒋介石对陕甘苏区的第三次“围剿”，迫使敌一〇八师、一一一师退回甘肃境内，东路侵入羊泉源的一一七师也被赶出鄜县（今富县），陕北苏区得到巩固和扩大。
11月30日，红一方面军在直罗镇东村教堂召开了庆祝会师和直罗镇战役胜利大会。毛泽东兴奋地说：“直罗镇一仗，中央红军同西北红军兄弟般的团结，粉碎了蒋介石对陕甘边区的‘围剿’，给党中央把全国革命大本营放在西北的任务，举行了奠基礼。”