1935年11月3日，紅一軍團和紅十五軍團合編為紅一方面軍，由毛澤東兼任政治委員，彭德懷任司令員。為了粉碎國民黨軍隊對陝甘蘇區的第三次“圍剿”，振奮紅軍士氣，解決軍備供應缺乏的問題，毛澤東決定，由他親自指揮，打一次漂亮的大勝仗。地點選在直羅鎮，殲滅對象圈定為國民黨第五十七軍第一〇九師，師長是牛元峰，“惹牛”、“牽牛”、“追牛”的故事由此而發生。
為了殲滅牛元峰部，首先得“惹”牛。 11月5日，毛澤東交代林彪：給你一天的時間，你要對直羅鎮附近的道路、地形、人家作詳細調查，明天就將調查情況報告上來。第二天，林彪將直羅鎮的調查報告交給了毛澤東，毛澤東看後，再次指示林彪作進一步調查，把直羅鎮地形圖繪製出來，並附上文字報告。
此後，紅一軍團和紅十五軍團團以上乾部在張村驛會合，由彭德懷司令員帶隊，大家快馬加鞭跑了30餘里路，趕到直羅鎮，實地察看地形。他們爬上了直羅鎮西南面的一座高山，放眼望去，直羅鎮及附近地區一覽無餘。直羅鎮是一個不到百戶人家的小鎮，三面環山，一條從西而來的大道從鎮子中央穿過，鎮的北面是一條流速和緩的小河。紅軍將領們不約而同地發出驚嘆：“這一帶的地形，對我們太有利了！”“敵人進到直羅鎮，真如同鑽進了口袋。”彭德懷注意到，鎮子東頭有座古老的小寨，裡面房屋雖然倒塌，但石頭砌的寨牆卻完好無損。為了防止敵人利用它做據點，彭德懷當即指示徐海東，派紅十五軍團的一個營連夜把寨牆拆掉。
11月中旬，紅一方面軍開赴直羅鎮附近地區。為了迷惑敵人、惹“牛”進欄，毛澤東特別把紅十五軍團的一個連部署在直羅鎮西邊的一個山頭上，擔負誘敵深入的任務。同時，毛澤東命令紅二四一團加緊圍攻甘泉，製造奪取甘泉的假象。國民黨“西北剿匪總司令部”果然中計，馬上下令第五十七軍迅速東進，去解甘泉之圍。
國民黨第五十七軍代軍長董英斌接到了命令，立即在太白鎮召開軍事會議，研究到底是走南道還是走北道去解甘泉之圍。走南道，雖然比較安全，但要多走100公里路程。走北道，要繞過黑水寺、直羅鎮、張村驛等地區，路雖近，但狹窄險峻，不好走，容易遭紅軍截擊。會上不少人主張走南道，第一〇九師師長牛元峰卻不以為然，狂妄自大地站出來說：“我主張走北路，我們晚走早住，怕什麼？那麼膽小，還打什麼仗！”牛元峰提出，讓他的一〇九師打前陣，為全軍開路。主張走南道的人不想再被指責為膽小鬼，也就放棄了走南道的主張。第五十七軍屬東北軍的編制，代軍長董英斌起家並不在東北軍，不是張學良的嫡系，而牛元峰卻是張學良最信任的人，董英斌知道牛元峰不能輕易得罪，他也不好反駁牛元峰的意見，只好順從。為穩妥起見，董英斌還把一一一師六三二團臨時配屬給牛元峰指揮。
會後，牛元峰率領第一零九師一路橫衝直撞，牛氣十足地向直羅鎮方向狂奔而來。
毛澤東得知“牛”已被惹了出來，暗自高興，對下一步“牽牛”作出了明確指示：各部隊在駐地立即自行籌足7天糧食，以保障戰役的勝利；凡是傷病員，一律不讓參戰。剛剛擔任紅一軍團參謀長的左權接到毛澤東的指示，立即下到紅一方面軍各師、各團，核實戰鬥員和傷病員。
當左權參謀長核實到紅十三團時，遇著了在黃埔軍校的老同學、十三團團長陳賡。他對陳賡說：“你的腳有骨折性戰傷，就不要參加了，由我代替你指揮十三團吧！”陳賡急忙爭辯道：“老同學！人家是新官上任三把火，你卻潑我一瓢水！直羅鎮戰役這麼重要，我這個團長怎能不上陣呢？”爭執了一陣子後，左權只好讓步，同意陳賡帶傷上陣，但要給他配兩匹馬。陳賡說啥也不接受，他說：“長征我是走過來的，不是騎馬過來的。如今到了家，更不能騎馬！”左權只好命令特派員歐致富：馬上落實一副擔架，從現在起，擔架不得離開陳賡左右，他算是提前出院參加指揮。
送走了左權，陳賡當即召開戰鬥部署會。他的開場白很特別，不談打仗，卻問大家：“你們誰殺過牛？”大家面面相覷，有人點頭，有人卻搖頭回答沒有殺過牛。陳賡說：“我們這次戰鬥要殺牛！當然不是草地上殺的那種犛牛。這頭牛，在我們進入陝甘後，一直跟著我們啃屁股……現在，黨中央、毛主席下決心讓我們回頭一擊，砸碎牛頭，狠狠給它一錘，然後給它開膛剖肚！”聽了陳賡形象的比喻，大家才明白，這頭“牛”原來是指牛元峰率領的國民黨軍第一〇九師。於是大家哈哈大笑地表示：“好，我們保證把這條'牛'宰了！”
11月19日，牛元峰率第一〇九師進至黑水寺、安家川一帶，五十七軍另外兩個師尾隨其後，進至張家灣以東地區。
20日早晨，牛元峰的第一〇九師在6架飛機掩護下，分三路沿葫蘆河谷及南北山地向直羅鎮推進。在距直羅鎮10公里處，與小股紅軍接觸，紅軍且戰且退，引著牛元峰部往直羅鎮方向走。牛元峰自以為紅軍被打敗，便在下午4時進占直羅鎮。他先叫參謀擬電向總部和軍部“報捷”，然後又命令一一一師六三二團歸還原建制，接著傳令下屬殺豬宰羊，慶賀“旗開得勝”。酒足飯飽之後，牛元峰放心地睡起大覺來。他做夢也沒想到，他和他的部隊已經進入紅軍布下的天羅地網。
晚上，毛澤東命令紅一方面軍急行軍進入前沿陣地。陳賡特別來勁，感到大顯身手的時候到了。他不肯坐擔架，而是拄起棍子一瘸一拐地往前趕著夜路，可怎麼也跑不快，漸漸地落在了部隊後面。特派員歐致富急了，馬上命令：“警衛員，背團長！”陳賡這時也不好拒絕，只好由兩個警衛員輪流背了一段路。儘管這樣，還是和部隊拉開了距離。陳賡這回急了，忍不住叫了起來：“擔架！”於是，擔架隊員和警衛員扶陳團長上了擔架，抬起就走。陳賡說：“辛苦你們了，”又嘆氣道，“這真是抬將軍上陣了！”從此以後，“抬著將軍戰直羅”成為紅軍戰史上的一段佳話。
經過一夜的奔跑，紅一方面軍參戰的部隊都按時到達了指定位置，乘夜色包圍了直羅鎮，佔領了周圍山頭，控制住所有製高點。
毛澤東的指揮所設立在距直羅鎮不遠的一個山坡上。這裡有幾孔破窯洞，為了便於直接觀察戰場情況，指揮戰鬥，毛澤東沒有進窯洞，而是把指揮台設在窯洞口一塊大青石板上。他興致勃勃地對身邊的人說：這一次，我要親眼看看牛元峰這頭“牛”挨宰了！各部隊負責同志務必注意，傷其十指不如斷其一指，一定要打殲滅戰。
“追牛”、“宰牛”的戲接著往下演。 21日，天剛濛濛亮，毛澤東一聲令下，只聽得三聲槍響，兩路紅軍如兩隻鐵拳，從南北兩面的高山上向直羅鎮牛元峰部砸了下來。另以一部分部隊直插黑水寺，堵住敵軍退路，並牽制黑水寺之敵。頓時漫山遍野紅旗飛舞，槍聲震天，殺聲四起。牛元峰師猝不及防，轉眼間成了甕中之鱉。在紅軍排山倒海般的攻勢下，牛元峰師被夾擊在兩山之間的一條川谷中，潰不成軍，狼奔豕突。
打到上午11時，紅軍兩路部隊已將敵軍分割包圍，紅二師首先攻入直羅鎮，佔領了牛元峰的師部。國民黨軍士兵像一群無頭的蒼蠅，到處亂竄。紅軍漫山遍野去抓俘虜。有的國民黨士兵連聲說：“我舉過兩次手了，別打，別打！”那些頑抗的國民黨士兵，很快被紅軍擊斃。
到此時，牛元峰才意識到低估了紅軍的戰鬥力，只好帶著一個營逃進了鎮東小寨子裡，修築工事，負隅頑抗。鎮東小寨雖被紅軍戰前拆毀，但地形險要復雜，易守難攻，加之敵軍昨天來後，抓緊搶修，部分已經恢復。紅十五軍團第一次猛攻沒有成功，正準備發動第二次猛攻時，周恩來指示：敵人已成甕中之鱉，暫緩攻擊，圍而不打；寨子裡既沒糧，又沒水，他們總是要逃跑的，爭取在其突圍時把他們消滅乾淨。
這一招真靈。牛元峰蹲在寨子裡，一個電報接一個電報發出去，要求五十七軍代軍長董英斌馬上派兵前來解圍。董英斌派出第一〇六師、第一一一師由黑水寺前來增援，沒到半路上就遭到紅一軍團主力和紅十五軍團兩個營迎頭痛擊，被打得焦頭爛額，調頭便跑。紅軍則乘勝追擊，在張家灣至羊角台途中殲滅了第一〇六師六一七團。在待援無望、缺糧少水的情況下，23日半夜，牛元峰率殘部向西突圍逃跑。紅十五軍團隨即跟踪追擊，戰士們說：一定要把這條“牛”追回來。紅十五軍團戰士一口氣“追牛”25裡，將牛元峰殘部一個營全部殲滅。這時牛元峰身邊只剩下了兩個手下，紅軍越追越近，在後面高喊“繳槍”。牛元峰眼看自己快要成為紅軍的俘虜，沮喪地抽出腰上的手槍，試了幾次，卻又不敢向自己的腦袋開槍，於是就把手槍交給副官說：“你把我打死。”副官接過手槍，照牛元峰右後腦打進一顆子彈，這頭“牛”頓時面頰炸碎而死。
至此，直羅鎮戰役勝利結束。山坡上、鎮子裡，到處堆積著繳獲的槍支彈藥，到處聚集著被俘虜的國民黨官兵。勝利的喜悅，洋溢在每個紅軍戰士心裡。
回師路上，特派員歐致富要陳賡坐著擔架回去，陳賡說什麼都不肯坐，命令兩名擔架隊員去抬其他傷員。他風趣地說：“你要知道，抬上陣光榮。抬下陣呢？人家說你是'敗將'。多難聽呀！再不坐了！”
直羅鎮戰役，全殲國民黨軍第一〇九師全部和第一〇六師1個團，俘敵5300餘人，打死打傷1000餘人，繳獲大批武器裝備。紅軍指戰員在戰役結束後全部穿上了棉衣。直羅鎮戰役粉碎了蔣介石對陝甘蘇區的第三次“圍剿”，迫使敵一〇八師、一一一師退回甘肅境內，東路侵入羊泉源的一一七師也被趕出鄜縣（今富縣），陝北蘇區得到鞏固和擴大。
11月30日，紅一方面軍在直羅鎮東村教堂召開了慶祝會師和直羅鎮戰役勝利大會。毛澤東興奮地說：“直羅鎮一仗，中央紅軍同西北紅軍兄弟般的團結，粉碎了蔣介石對陝甘邊區的'圍剿'，給黨中央把全國革命大本營放在西北的任務，舉行了奠基禮。”