1947年8月12日，西野主力从榆林撤围后，隐蔽集结在榆林东南、沙家店西北的三岔湾至鱼河堡一线山上待机歼敌，并以后方机关一部假装成主力在佳县北东渡黄河，制造中共中央和西野主力要东渡黄河的假象，有意迷惑对方。胡宗南误以为真，认为西野主力是“仓皇逃窜”欲东渡黄河，遂令其援榆部队加紧追堵。

8月13日，国民党军整编第三十六师进了榆林城，便接胡宗南的电报，声称发现共军主力。14日，整编第三十六师师长钟松率两个旅（四个团）远离主力南下，经归德堡遇到解放军抗击，拐到鱼河堡附近宿营。15日，改走无定河西岸，16日进抵镇川。此时，毛泽东、中共中央机关、西野主力部队都被挤在佳、米、榆三县交界的狭小地域，处于背靠沙漠，侧水侧敌的险境中，情况十分危急。17日，周恩来打电话告诉彭德怀：中央不过黄河，关键是必须迅速歼灭国民党军之一部，粉碎其合围企图。此时，整编第三十六师以第一二三旅配属第一六五旅之第四九三团为前梯队于，17

日由镇川堡在乌龙铺以南与西北野战军第三纵队接火，三纵且战且退，诱敌于黄昏时抵达乌龙铺。野战军首长判断三十六师师部及第一六五旅为后梯队，可能经沙家店地区东进。决定集中兵力在运动中歼灭国民党整编第三十六师。

8月18日，钟松部前梯队向乌龙堡东进。由于当日大雨如注山洪爆发，解放军暂停进攻。8月19日，国民党援榆集团总指挥、第二十九军军长刘戡率整编第二十九军军部、整编第九十师及第五十五旅、第十二旅进占了佳县城、神泉堡、李家庄等地。19日晚，钟松率后梯队进至沙家店地区筑防，发现沙家店附近有西野主力，急电一二三旅向沙家店靠拢。一二三旅因畏惧西野伏击与夜战，仅派附属的四九三团先行驰援。

20日拂晓，沙家店战斗全面打响。西野围歼计划未变，仍把三十六师切成两块，分割包围歼灭。第一、二纵队向沙家店的钟松师部及一六五旅发起猛烈进攻；教导旅和新编第四旅把企图向西救援的一二三旅包围在常高山附近并展开攻击，至此，国民党整编第三十六师师部及两个整编旅被西野在两地团团包围。西野第三纵队及警备四团、六团，在乌龙堡以南地带抗击刘戡增援部队。

战斗到13时，彭德怀下达了动员令：“彻底消灭三十六师，是我西北战场由战略防御转入战略进攻的开始，收复延安解放大西北的开始，为着人民解放事业，继续发扬你们无限英勇精神，立即消灭三十六师，活捉钟松，号召你们本日黄昏以前胜利完成战斗任务!”西北野战军指战员情绪激昂，勇气倍增，冲杀追击更加勇猛顽强。战至黄昏，除敌师长钟松带少数人落荒逃窜外，其余6000余人全部被歼。

20日14时，教导旅和新编第四旅向国民党第一二三旅发起猛烈进攻，黄昏前，全歼敌一二三旅，旅长刘子奇被俘。

西野第三纵队及绥德军分区第四团、第六团，在国民党第一二三旅回援其师主力时，除以一部分兵力牵制其行动外，主要兵力在乌龙铺西北地区阻击西援之国民党整编第二十九军军部和第五十五旅、第十二旅。战至当日黄昏，未使敌援军通过青阳川，保障了西野主力全歼国民党整编第三十六师的战斗。战役胜利结束，毛泽东表扬沙家店战役打得好，并向西北野战军全体同志祝贺胜利。