中国工农红军三大主力在西北集结会师的趋势，让蒋介石恼羞成怒，快速调动几十万国民党军队，亲自部署军事上的大规模“围剿”。首先是组织“通渭会战”，指令胡宗南部、王均部、关麟征部、毛炳文部、东北军于学忠部、王以哲部、董英斌部，向西兰大道地区集结，打击红军主力，堵截红军西渡黄河，确保河西地带安全。其次是集中大军，采取稳扎稳打、步步为营的战术，在100架新式战斗轰炸机配合下，企图将红军主力压迫至黄河以东、西兰大道以北地区，予以全部消灭。

对于蒋介石的“通渭会战”计划，张学良及时通报给了定都在志丹的中共领导人。中共中央和中革军委及时征求各方面军领导人的意见后，于10月11日及时向全军发布了《十月份作战纲领》，决定提前执行宁夏战役，要求在11月10日前做好休整训练，完成进攻宁夏的各项准备：四方面军以一个军迅速造船，选择渡河地点，准备渡黄河进入宁夏。攻打宁夏部队以红一方面军的西方野战军和红四方面军三个军组成。红二方面军等部组成对南面国民党军的防御部队。同时，中共中央决定，朱德、张国焘分别以红军总司令、总政治委员名义，组织指挥三个方面军的军事行动。

《十月份作战纲领》发布后，红四方面军总部确定：由李先念的红三十军在靖远一带秘密造船，侦察渡河点，筹办渡河事宜；红九军随之迅速跟进；红四、红五、红三十一军沿会宁、通渭、静宁一线，形成梯次，抗击国民党胡宗南、毛炳文、王均、关麟征等部的进攻；

10月16日，蒋介石下达“进剿”命令。10月21日，胡宗南部、毛炳文部、王均部组成三角，直扑红四方面军主力。

10月22日，蒋介石由南京飞抵西安，督促东北军、西北军参战。

这一天，西北战事异常激烈，红五军在会宁一带激战两昼夜，遭到7架敌机的轰炸，伤亡800多人，副军长罗南辉在华家岭战斗中牺牲。国民党其他部队借助飞机优势，凶猛推进。红四方面军在长征结束之时还没有得到休整，面对国民党重兵进攻，只能疲惫迎战，拼力相搏，几番交锋，防线失守，军事形势十分严峻。

10月23日，朱德、张国焘率红军总部和彭德怀率领的西方野战军总部在打拉池会合，商讨宁夏战役的部署。随之，朱德、张国焘电令红三十军首先渡河，红九军跟进，打开河西战局，策应红一方面军；当晚，红三十军先头部队开始渡河，因为事先未侦察清楚河道情况，渡船遇到浅滩受阻。25日凌晨，红三十军在虎豹口偷渡成功，突破黄河天险，后续部队立即抢渡，并迅速摧毁马家军沿河防线，控制了上百里的沿河地带。

10月25日，中革军委致电红军总部和红一、红二、红四方面军领导人，提出了具体部署，特别指出：“根据敌向打拉池追击及三十军已渡黄河的情况，我们以为今后作战，第一步重点应集中注意力于击破南敌，停止追击之敌。我处南北两敌之间，北面作战带阵地战性质，需要准备至两个月时间，不停止南敌，将使尔后处于不利地位。第二步重点集注意力于向北。并部署了作战行动。”

10月26日，毛泽东、朱德、张国焘、周恩来等46人联名发出《红军将领给蒋总司令及国民革命军西北各将领书》要求：“立即停止进攻红军并与红军携手共赴国防前线，努力杀贼，保卫国土，驱逐日寇，收复失地。”并提出：“不论诸先生派代表进来，或要求我们派代表出去，或即在前线上谈判，我们都愿接受。只要内战一停，合作门径一开，一切谈判都将要在抗战的最高原则之下求得解决。”

也是这天，毛泽东致电彭德怀：“（一）国焘有出凉州不愿出宁夏之意，望注意。（二）目前以打胡敌、取定远营两着为最重要。（三）三十军占领永登是对的。九军必须占定远营，这是接物攻宁的战略枢纽，不应以一方面军去占，不便利，又失时机。（四）四、五、三十一军，二方面军，应以打胡为中心，仅抗击不够，打法可采诱敌深入。（五）一方面军速集结同心城休息。”

这时，胡宗南第一军先头已进至硝河城地区，向海原、打拉池出动。王均和毛炳文部队也快速推进。这时，蒋介石接连看到西部前线的胜利捷报，以为红军已经在围剿中溃不成军，正慌忙向西撤退，恰是完全消灭红军的好机会。于是，命令各部疾进，乘胜追剿。

中革军委为了阻止南线敌人的猛烈追打，加强三个方面军的协同作战，在10月28日任命彭德怀为前敌总指挥兼政治委员，刘伯承任参谋长，准备组织海（原）打（拉池）战役，重点打击蒋之嫡系胡宗南部。10月30日，彭德怀下达了《海打战役计划》，意在遏制和击破胡宗南部的进攻，为宁夏战役创造条件。可是，担任重要作战任务的红四方面军的三个军，由于敌军阻挡，无法按时到达指定位置，使红一方面军主力右翼暴露在敌人面前。在此情况下，中革军委不得不放弃海打战役计划。

11月1日，前敌总指挥部迅速作出了夺取宁夏计划的新部署。然而，敌人大军推进，打通了增援宁夏的通路，加之河东红军主力与河西徐向前、陈昌浩指挥的3个军联络被隔断，导致宁夏战役计划也无法执行。

11月8日，中共中央根据战局新情况，提出了新的战略计划设想，主要内容是：三个方面军主力11月份继续在现地区作战，并以一部兵力佯示红军欲渡黄河，引敌北进。到12月，红一方面军主力、红二方面军组成南路军；以红四方面军第四、第三十一军组成北路军，分别经陇东进陕西，于适当时机再渡河入晋，寻求直接对日作战，或在晋、冀、鲁、豫、皖、鄂、陕、甘等省机动作战，扩大党的政治影响，扩大红军，争取同南京政府订立共同抗日协定。徐向前、陈昌浩指挥的部队组成西路军，在河西创立根据地，以一年时间打通与苏联的路线。（后来，西路军在极端困难的条件下孤军奋战，由于敌众我寡，大部分红军指战员牺牲在河西走廊。）

这时，蒋介石的嫡系部队胡宗南第一军，凭借武器精良，非常骄狂，蔑视红军实力，孤军深入，以三路向豫旺县进攻。对此，彭德怀暗喜，抓到了消灭胡宗南部的新战机，向中革军委建议在豫旺、洪德城间消灭敌军。

连续几天，毛泽东在京都志丹吃睡不安，时刻关注着红军对抗国民党大军的情势，从各方面得到胡宗南部孤军突进，心中一亮，结合彭德怀的军事建议，11月15日就一、二、四方面军集结准备对胡宗南部作战问题，两次致电朱德、张国焘、彭德怀、贺龙、任弼时，指出：“蒋介石仍坚决打红军，与南京妥协一时难成，我们应坚决粉碎其进攻。”“目前两三天内，四方面军即在甜水堡、保牛堡集结，二方面军在毛居井及以北集结，一方面军在环县西集结，各兵团鼓动作战准备，胡敌东进时消灭之。”①

11月16日，中革军委向红军各级军政领导人发出指示，要求立即进行政治动员，使广大指战员明白这一战役的重大意义。

“甲、敌既继续向我进攻，目前中心是打破敌之进攻，然后才能开展局面，才有利统一战线，否则敌以为我可欺，不但局面不能开展，与南京之统一战线也是不可能的。乙、我有打破敌人之许多有利条件，敌情、地形、群众等方面，都有利我作战，粮食困难是敌我共同的。丙、一切具体布置及作战行动，各兵团首长绝对服从前敌总指挥彭德怀之命令，军委及总部不直接指挥个兵团，以便适合情况不影响时机地战胜敌人。”

11月17日，胡宗南部队分三路向定边、盐池前进。敌人中路第二旅在萌城以西遭到四方面军的红四、红三十一军的伏击，死伤600多人。

11月18日，毛泽东致电朱德、张国焘：“四军萌城抗战甚为得力，请鼓励其继续抓紧阻止该敌，以利一方面军与三十一军之突围”。现胡军已露疲惫，兵力又颇分散，一战而胜前途大佳，“只有战胜胡军才便开展局面。”

同日，毛泽东、朱德、张国焘、周恩来、彭德怀、贺龙、任弼时联名下达《关于粉碎蒋介石进攻的决战动员令》，强调：各首长务须以最坚决的决心，最负责的忠实与最吃苦耐劳的意志去执行。“……当前的这一个战争，关系于苏维埃，关系于中国，都是非常之大的，而敌人的弱点我们的优点又都是很多的。我们一定要不怕疲劳，要勇敢冲锋，多捉俘虏，多缴枪炮，粉碎这一进攻，开展新的局面。”

山城堡位于洪德城和甜水堡中间，梁峁起伏，沟壑纵横，地形复杂，有利于设伏歼敌。此时，红军三大主力已经移动到山城堡一带，做好了打击来犯之敌的准备。

之前，毛泽东等中央领导曾致电当时任国民党军第八十四师师长高桂滋，十七路军总指挥杨虎城，十七路军总参议杜斌丞，第三十五军军长傅作义，第六十七军军长王以哲以及张学良等高级将领，提出“停止内战，一致抗日”、“中国人不打中国人”等主张，加之，秘密的统战关系，所以王以哲部，张学良部分别盘桓于豫旺堡以东、庆阳以南数日，为红军的山城堡围打胡宗南部提供了有利战机。

至此，歼灭胡宗南部队的时机已经成熟了。第一，山城堡地区地形复杂，土寨众多，便于我军运动、集结、隐蔽和埋伏，而且我军已占领有利地形，敌人进入我三面伏击圈内；第二，敌人到达山城堡的头一天，急行军200余里，疲惫不堪，战斗力大大减弱；第三，敌人刚到山城堡，防御工事是匆匆忙忙修起来的，很不坚固，容易被我军突破；第四，敌人先头部队孤军深入，与后续部队相距较远，一时支援不上；第五，我军在战役上占了绝对优势，有把握消灭敌人。

受中共中央所派，周恩来于11月18日抵达西部前线，慰问红二、红四方面军，并和两个方面军的领导人会见。别后重逢，格外热情。同时共同制定山城堡战役，围歼胡宗南部右路的第七十八师。遂将红一军团、红十五军团、红三十一军部署在指定位置，隐蔽埋伏。红四军主力、红二方面军主力分别在山城堡与洪德城之间策应各方；敌机白天侦察时，没有发现红军的作战动机。胡宗南认为红军不堪一击，已经向盐池方向撤退了，命令所部向盐池方向开进。11月20日，胡宗南右路第七十八师进占山城堡一带，还派出两个侦察连沿山城堡至洪德城大道运动，遭红一军团一部的有力伏击，损伤很大。

此时，敌第七十八师已钻人红军预先布置好的“口袋”。

11月21日黄昏，围歼战打响了。红军先截断敌人西逃的退路，然后从东、南、北三个方向朝敌人展开猛烈攻击，红一军团第一师接连组织两次冲锋都没有突破敌人阵地，直到在红四师的重机枪掩护下，才一举成功，在漆黑的夜晚，红军战士十分勇猛，一手提刀，一手向前摸，只要摸着帽徽有个“圆疤疤”，顺手就是一刀。胡宗南的精锐部队，碰上惯于打夜战的红军，发挥不了打阵地战的优势，机枪大炮又发挥不了作用，阵容大乱，溃散奔逃。

到第二天上午，战事基本结束。红军将敌第七十八师第二三二旅及第二三四旅的2个团全部歼灭。同时，胡宗南派向盐池方向进攻的另外几个师被红二十八军击溃，迫使胡宗南部全线退至大水坑、萌城、甜水堡及其以西地区，从而停止了其对红军的进攻。

山城堡大捷的消息传来，中共中央、中华苏维埃中央政府、中革军委于当日立即发表通令，将红军在山城堡打的第一个胜仗，消灭胡宗南部1个多旅的消息通告全体红军将士、全苏区人民，指出：“这个胜利是粉碎蒋介石全部进攻的开始”。并号召：“我全体红军战士要更加团结起来，吃苦耐劳，执行命令，勇敢作战。我全苏区人民要帮助红军输送粮食，转运伤兵，搬运胜利品。白军来时，用坚壁清野对付之。为保卫抗日根据地而战，为扩大抗日根据地而战，为消灭全部进攻之敌而战。”

山城堡战役是三大主力红军会师后，相互配合作战，取得的第一次重大的军事胜利，也是长征胜利结束的最后一仗。这一仗挫败了蒋介石的军事图谋，使国民党军从此基本停止了对陕甘宁革命根据地的进攻，巩固了陕甘宁根据地。