8月6日刘邓大军挺近大别山的前一天，西北野战军发起了围攻榆林的战役。国军为援救榆林，确保其战略要点，并企图在米脂、葭县、榆林地区围歼共军或迫其东渡黄河，急令其在安塞、保安地区分兵清剿的整编第1军之整编第1师、整编第90师，整编第29军之整编第36师(欠第28旅)以及第12旅、第55旅等部共约6万余人分路北进。
8月12日，由于国军援军一路整编第36师，出共军意外地走长城以外沙漠地区直扑榆林，共军失去了在榆林地区运动歼敌的机会，但已完成调敌北上的任务，于是主动撤围榆林，将野战军主力隐蔽地撤至榆林东南、沙家店西北地区待机歼敌。
为造成敌人错觉，共军以后方机关一部伪装主力从葭县以北东渡黄河。国军上当，认为共军已“仓皇逃窜”，遂令其援榆部队加紧追堵。
8月15日国军进占绥德后，除以整编第1师留驻绥德外，余由援榆集团总指挥、第29军军长刘戡率领分路向葭县方向推进:整编第36师师长钟松，自认援榆有功，趾高气扬，于14日率两个旅(4个团)远离主力经归德堡南下，孤军冒进，16日进到镇川堡。
8月17日刘戡率主力由义合镇进至吉征店以南地区，并继续向葭县方向前进。整编第36师以第123旅配属第165旅之第493团为前梯队，于17日由镇川堡向乌龙铺前进。共军首长判断该师师部及第165旅(欠第493团)为后梯队，可能经沙家店地区东进。因此，决心集中野战军主力在运动中歼灭整编第36师，粉碎敌人的合围计划。
其部署为:第3纵队并指挥绥德分区第4团、第6团，以一部占领当川寺以北至炮梁村一线高地，主力进至当川寺西南高地隐蔽集结，牵制敌前梯队行动;第1纵队第一步集结于高柏山、老虎圪塔地区，待敌前梯队与我第3纵队接触时，主力绕至沙家店东南地区，侧击敌后梯队，以一部兵力切断沙家店至镇川堡敌之退路，并向镇川堡方向派出警戒;第2纵队并指挥教导旅隐蔽集结于沙家店以北之寺沟、杜渠地区，新编第4旅隐蔽集结于朱家井、二郎山、中峁沟地区，待敌前梯队通过并与我第3纵队接触，第1纵队断敌退路后，向敌后梯队发起攻击。预定先歼灭敌后梯队，得手后，再集中力量歼灭敌前梯队。
各部统于8月17日7时前到达指定位置。8月18日整编第36师前梯队(第123旅附第493团)，经万佛洞、高家园子向乌龙铺前进，上午10时许在乌龙铺以南与第3纵队接触，共军且战且退，诱敌于黄昏时进到乌龙铺北山。
整编第36师后梯队(师部及165旅欠493团)，于当日午后在常家高山附近与第1、第2纵队先头部队接触，因时值大雨，山洪暴发，双方稍事战斗，即向西龟缩。共军各部队也为大雨所阻，未组织追击，返回原集结地，寻机再战。
整编第36师师部率第165旅(欠493团)撒至沙家店及其西南地域，并临时构筑工事，防共军袭击。已经进到乌龙铺的整编第36师前梯队于19日推进到刘家沟。
刘戡所率的整编第29军军部、整编第90师以及第55旅、第12旅也于当日进占神泉堡、葭县、李家庄、桃向圪塔等地。
8月19日晚整编第36师发现沙家店附近有共军主力，乃急令第123旅星夜向沙家店靠拢。但第123旅畏遭伏击，害怕夜战，当夜仅令配属的第493团先行驰援。
8月20日拂晓共军各部到达指定位置并向国军发起攻击。第1纵队首先以第358旅向沙家店东南高地攻击，独立第1旅主力向沙家店以南敌阵地攻击，激战至上午10时，占领沙家店、均家沟以东一线高地。第2纵队以独立第4旅向张家坪南、西南高地之敌展开攻击，第359旅从独立第4旅左翼向常辛庄以南高地之敌攻击，经数小时战斗后，连续攻占前沿阵地多处。
20日10时左右回援之第493团沿吴家沟川道与其师主力会合。在当日4时才出动西援之敌第123旅此时也进到常家高山附近，企图占领常家高山北侧高地，掩护其师主力东窜，当即遭到新编第4旅迎头痛击。
国军为抢占这一要点，竭尽全力实施进攻，战斗十分激烈。此时，原定从第2纵队左翼加入战斗向敌整编第36师主力攻击的教导旅赶到，并根据敌情的变化，当机立断改变了原来的突击方向，主动向常家高山方向投入战斗，迅速与新4旅沟通联系，密切协同，完成了对第123旅的包围。
至此，敌整编第36师师部及两个整编旅分在两地被包围。
20日午后第1纵队、第2纵队密切配合，向整编第36师主力进行了猛烈的攻击，战斗到17时，国军主要阵地均被共军占领。国军伤亡惨重，待援无望，遂企图逃窜。
第1纵队即令各部向敌纵深**，进一步割裂敌人部署，断敌退路。1小时后，国军全线崩溃，共军迅速发起追击，整编第36师师部及第165旅除师长钟松及旅长李日基带少数残敌逃跑外，大部被歼灭。
20日14时共军教导旅与新编第4旅向国军第123旅发起攻击，由于指挥灵活果断，部队协同密切，作战勇猛顽强，国军虽数次向西反攻，企图与其师主力靠拢，终未得逞。敌旅长刘子奇见援兵不到，向西靠拢无望，部队伤亡严重，遂率残部突围。
共军乘敌脱离阵地之机，再一次发起猛攻，黄昏前，该敌被全歼。
第3纵队及绥德军分区第4团、第6团，在国军第123旅回援其师主力时，除以一部兵力尾击该敌牵制其行动外，主力在乌龙铺西北地区展开，阻击西援之整编第29军军部和第55旅、第12旅。战至当日黄昏，未使该敌通过青阳川，保障了野战军主力全歼敌整编第36师的战斗。
此时，由于葭县之敌整编第90师已尾随其主力西进，共军即迅速撤出战斗。
此役，西北野战军共歼国民党军6000余人。至此，扭转了陕北战局，西北野战军转入了战略反攻。
沙家店战役是扭转陕北战局的关键一仗，基本粉碎了国民党军对陕北的重点进攻。中共中央高度评价这一仗对全国战局的重大意义，指出:“经此一战，局势即可改变。”
23日，西北野战军召开旅以上干部会议，毛**、周恩来、任弼时到会向指战员们祝贺胜利。毛**说:“沙家店这一仗确实打得好，对西北战局有决定意义，最困难时期已经过去了。”
赵继统将毛**的讲话内容交给蒋经国，这位“太子”激动的说道：“三月青化砭、四月羊马河、五月蟠龙、七月榆林、如今又来了个沙家店，胡宗南这个***难怪中共的《人民日报》说他是个‘野心十足、志大才疏 、阴险虚伪的常败将军。’”
话音刚落，蒋介石从休息室里出来喝到：“胡宗南是西安绥靖公署主任、陆军二级上将，抗日时期的‘西北王’，不是你一个黄口稚儿可以妄自菲薄的！”
他拿过赵继统手里的情报，看了看突然闭口不语。整编第36师在沙家店全军覆没，师长钟松化装逃脱;令这位委员长也是气的不轻···