我军主力按预先制订的作战计划，遵照前总命令，准备解放靖边县城。该城为四方形，是依山面水的半山城，耸立着200米高的小山，能俯瞰全城，岭上筑着寨堡，寨内面积400平方米左右。寨周围地势险峻，要攻克靖边城，必须先攻占西山寨。
靖边县城墙坚固，有东、南、北三个城门，东北角还开了个水门。街道是东西、南北的十字街，其中心点是钟楼。南北大街有城隍庙、南门楼、北门楼等制高点，东西大街有东门楼、西山寨等制高点，只有东南角一段城墙稍有塌斜，可以攀登。
靖边是榆林通往定边、安边的必经之地，也是绥德通往三边的要道。敌若失去该城，就会被我军在以上几个地区分割开来。因此敌派重兵防守。守敌是八十六师二五六旅五一三团二营，辖3个步兵连，1个机枪连，400余人；反动民团200余人，共700余人。
敌营长曲子鹏是高双城的亲信爪牙，头脑简单却自负骄横。许多官兵是其亲戚朋友或拜把兄弟。该部队个人军事技术较好，战斗力较强，但装备陈旧，火力稀松。
根据敌情、地形，前总决定以4个主力团出击，共3000多人，我与敌之兵力是五比一的压倒优势；我们又积累了攻城的经验。为尽量减少伤亡，采取远距离奔袭战术，同时也做好强攻的准备。
红军各作战部队于6月28日晨2时，隐蔽渡过芦河，集结到进攻地段。抗日义勇军受命攻克西山寨制高点。红二十六军二、三团受命偷袭较易攀登的东南角，若登城成功，三团要乘胜攻占南城门楼。红二十七军一团为预备队。另派出一部分兵力阻击宁条梁方向可能增援之敌。陕北游击队第三纵队配合赤卫队在楼沟嘴一带布防，准备抗击横山方向援敌。总攻时间以抗日义勇军攻打西山寨枪声为号。
由于向导带错了路，抗日义勇军延误了发起进攻的时间。天将破晓，再不进攻就会失掉攻城的机会，造成不堪设想的后果。二十六军三团基于这种考虑，立即命令奋勇突击队员首先登城，于拂晓前攻克东南城角，俘敌10余人。此时敌人已觉察我军意图，立即进入战斗。
密集的火力射向我攻城部队。志丹当机立断，执行第二个作战方案，改袭击为强攻。这时步兵三团已夺下了南门楼，歼灭了守敌。三团第二梯队于晨5时，从东南城角突破口攀登进城，展开了争夺战。其一连攻占东门，而二、三连向街中心的钟楼攻击时，由于地形开阔，敌人防范严密，火力集中，加之西山寨敌人支援火力的封锁，陷我进攻部队于极为不利的境地。此时，志丹不失时机地把预备队红一团于8时投入战斗，绕道从东门突破敌人防线，于11时攻克城隍庙据点。随后兵分两路，向北门楼发起攻击，一路向城中心钟楼进攻，形成夹击钟楼之势。敌在我夹击之下开始动摇。我三团乘敌慌乱之际，在机枪的强火力掩护下，攻占了钟楼，控制了城内的制高点，逼残敌退到祖师庙，但仍负隅顽抗。与此同时，抗日义勇军经过激烈争夺战斗，攻克了西山寨，控制了全城的制高点。红一团攻占了北城门楼，至此城里被我军控制。敌大部被俘被歼，敌营长曲子鹏带几名亲信落荒逃命，被红一团和三团在追击中击毙，其余被擒。
午12时战斗结束，击毙敌营长等百余人，俘敌500余人；缴获长短枪550余支，迫击炮2门。还俘虏了敌县长、民团总指挥、肃反会主任、警察局长、国民党县党部书记、土豪劣绅及反革命分子几十人，将其交给靖边县工农民主政府处理。
由于这次战斗由“袭击”改为“强攻”，争夺比较残酷、激烈，有些据点几经反复攻击才被占领，因此我军伤亡重大，除负重伤103人外，牺牲50多名同志，其中有三团第一连连长魏四儿，抗日义勇军第二大队长王东来等英勇善战的同志。
靖边县城是红军解放的第五座县城，是靠指战员流血牺牲与顽敌反复拚杀取得的。这一胜利动摇了敌人在这一带的防线，令敌惊恐不安。他们或收缩防御，龟缩在堡垒里；或弃城逃命，威风尽失。保安县敌八十六师二五六旅五一二团二营长高雨亭早于6月23日拂晓逃走。保安县金佛坪守敌营长张廷祥于7月1日晚闻风丧胆，窜逃回安边镇内，保安县城不战而降。这是红军解放的第六座县城。
敌人这时才意识到我军主力在南线，因而防不胜防。志丹利用敌人的错觉，以声东击西的作战战术，调动敌人按我意图行动。
6月28日，他命令红军主力兵团秘密经卧牛镇、青阳岔到赤源县唐家川、李家岔一带休整，此间召开了祝捷大会，庆祝连续解放了六座县城，使陕甘边和陕北两苏区连结为整体；庆祝解放了广大地区的人民，扩大和发展了红军主力兵团和游击队，开辟了敌后游击区。
在这个时期，我东线、南线和西线的二十六军步兵一、二团和第二、三路游击队、骑兵团都取得了辉煌的胜利。他们袭击了长武县城，处决了敌县长等人；拔除敌军和民团的据点50余处，共歼敌千余人并缴获各种枪千余支；新建立二十六军第四团；发展充实了骑兵团，战马发展到500余匹；还新组建游击队20余个。
这一系列胜利钳制了敌人的三十六、四十二、六十一师等全部兵力，并大量消灭了敌人的有生力量。北线的陕北红军独立三团（原由神木三支队改编的红三团）和游击队，则钳制了敌人八十六师二五八旅刘润民部5000余人，并歼其一部500余人，缴获各种枪支400余支。各个战场的行动都有效的配合了主力红军作战。