1935年11月3日，红一军团和红十五军团合编为红一方面军，由毛泽东兼任政治委员，彭德怀任司令员。为了粉碎国民党军队对陕甘苏区的第三次“围剿”，振奋红军士气，解决军备供应缺乏的问题，毛泽东决定，由他亲自指挥，打一次漂亮的大胜仗。地点选在直罗镇，歼灭对象圈定为国民党第五十七军第一〇九师，师长是牛元峰，“惹牛”、“牵牛”、“追牛”的故事由此而发生。
为了歼灭牛元峰部，首先得“惹”牛。11月5日，毛泽东交代林彪：给你一天的时间，你要对直罗镇附近的道路、地形、人家作详细调查，明天就将调查情况报告上来。第二天，林彪将直罗镇的调查报告交给了毛泽东，毛泽东看后，再次指示林彪作进一步调查，把直罗镇地形图绘制出来，并附上文字报告。
此后，红一军团和红十五军团团以上干部在张村驿会合，由彭德怀司令员带队，大家快马加鞭跑了30余里路，赶到直罗镇，实地察看地形。他们爬上了直罗镇西南面的一座高山，放眼望去，直罗镇及附近地区一览无余。直罗镇是一个不到百户人家的小镇，三面环山，一条从西而来的大道从镇子中央穿过，镇的北面是一条流速和缓的小河。红军将领们不约而同地发出惊叹：“这一带的地形，对我们太有利了！”“敌人进到直罗镇，真如同钻进了口袋。”彭德怀注意到，镇子东头有座古老的小寨，里面房屋虽然倒塌，但石头砌的寨墙却完好无损。为了防止敌人利用它做据点，彭德怀当即指示徐海东，派红十五军团的一个营连夜把寨墙拆掉。
11月中旬，红一方面军开赴直罗镇附近地区。为了迷惑敌人、惹“牛”进栏，毛泽东特别把红十五军团的一个连部署在直罗镇西边的一个山头上，担负诱敌深入的任务。同时，毛泽东命令红二四一团加紧围攻甘泉，制造夺取甘泉的假象。国民党“西北剿匪总司令部”果然中计，马上下令第五十七军迅速东进，去解甘泉之围。
国民党第五十七军代军长董英斌接到了命令，立即在太白镇召开军事会议，研究到底是走南道还是走北道去解甘泉之围。走南道，虽然比较安全，但要多走100公里路程。走北道，要绕过黑水寺、直罗镇、张村驿等地区，路虽近，但狭窄险峻，不好走，容易遭红军截击。会上不少人主张走南道，第一〇九师师长牛元峰却不以为然，狂妄自大地站出来说：“我主张走北路，我们晚走早住，怕什么？那么胆小，还打什么仗！”牛元峰提出，让他的一〇九师打前阵，为全军开路。主张走南道的人不想再被指责为胆小鬼，也就放弃了走南道的主张。第五十七军属东北军的编制，代军长董英斌起家并不在东北军，不是张学良的嫡系，而牛元峰却是张学良最信任的人，董英斌知道牛元峰不能轻易得罪，他也不好反驳牛元峰的意见，只好顺从。为稳妥起见，董英斌还把一一一师六三二团临时配属给牛元峰指挥。
会后，牛元峰率领第一零九师一路横冲直撞，牛气十足地向直罗镇方向狂奔而来。
毛泽东得知“牛”已被惹了出来，暗自高兴，对下一步“牵牛”作出了明确指示：各部队在驻地立即自行筹足7天粮食，以保障战役的胜利；凡是伤病员，一律不让参战。刚刚担任红一军团参谋长的左权接到毛泽东的指示，立即下到红一方面军各师、各团，核实战斗员和伤病员。
当左权参谋长核实到红十三团时，遇着了在黄埔军校的老同学、十三团团长陈赓。他对陈赓说：“你的脚有骨折性战伤，就不要参加了，由我代替你指挥十三团吧！”陈赓急忙争辩道：“老同学！人家是新官上任三把火，你却泼我一瓢水！直罗镇战役这么重要，我这个团长怎能不上阵呢？”争执了一阵子后，左权只好让步，同意陈赓带伤上阵，但要给他配两匹马。陈赓说啥也不接受，他说：“长征我是走过来的，不是骑马过来的。如今到了家，更不能骑马！”左权只好命令特派员欧致富：马上落实一副担架，从现在起，担架不得离开陈赓左右，他算是提前出院参加指挥。
送走了左权，陈赓当即召开战斗部署会。他的开场白很特别，不谈打仗，却问大家：“你们谁杀过牛？”大家面面相觑，有人点头，有人却摇头回答没有杀过牛。陈赓说：“我们这次战斗要杀牛！当然不是草地上杀的那种牦牛。这头牛，在我们进入陕甘后，一直跟着我们啃屁股……现在，党中央、毛主席下决心让我们回头一击，砸碎牛头，狠狠给它一锤，然后给它开膛剖肚！”听了陈赓形象的比喻，大家才明白，这头“牛”原来是指牛元峰率领的国民党军第一〇九师。于是大家哈哈大笑地表示：“好，我们保证把这条‘牛’宰了！”
11月19日，牛元峰率第一〇九师进至黑水寺、安家川一带，五十七军另外两个师尾随其后，进至张家湾以东地区。
20日早晨，牛元峰的第一〇九师在6架飞机掩护下，分三路沿葫芦河谷及南北山地向直罗镇推进。在距直罗镇10公里处，与小股红军接触，红军且战且退，引着牛元峰部往直罗镇方向走。牛元峰自以为红军被打败，便在下午4时进占直罗镇。他先叫参谋拟电向总部和军部“报捷”，然后又命令一一一师六三二团归还原建制，接着传令下属杀猪宰羊，庆贺“旗开得胜”。酒足饭饱之后，牛元峰放心地睡起大觉来。他做梦也没想到，他和他的部队已经进入红军布下的天罗地网。
晚上，毛泽东命令红一方面军急行军进入前沿阵地。陈赓特别来劲，感到大显身手的时候到了。他不肯坐担架，而是拄起棍子一瘸一拐地往前赶着夜路，可怎么也跑不快，渐渐地落在了部队后面。特派员欧致富急了，马上命令：“警卫员，背团长！”陈赓这时也不好拒绝，只好由两个警卫员轮流背了一段路。尽管这样，还是和部队拉开了距离。陈赓这回急了，忍不住叫了起来：“担架！”于是，担架队员和警卫员扶陈团长上了担架，抬起就走。陈赓说：“辛苦你们了，”又叹气道，“这真是抬将军上阵了！”从此以后，“抬着将军战直罗”成为红军战史上的一段佳话。
经过一夜的奔跑，红一方面军参战的部队都按时到达了指定位置，乘夜色包围了直罗镇，占领了周围山头，控制住所有制高点。
毛泽东的指挥所设立在距直罗镇不远的一个山坡上。这里有几孔破窑洞，为了便于直接观察战场情况，指挥战斗，毛泽东没有进窑洞，而是把指挥台设在窑洞口一块大青石板上。他兴致勃勃地对身边的人说：这一次，我要亲眼看看牛元峰这头“牛”挨宰了！各部队负责同志务必注意，伤其十指不如断其一指，一定要打歼灭战。
“追牛”、“宰牛”的戏接着往下演。21日，天刚蒙蒙亮，毛泽东一声令下，只听得三声枪响，两路红军如两只铁拳，从南北两面的高山上向直罗镇牛元峰部砸了下来。另以一部分部队直插黑水寺，堵住敌军退路，并牵制黑水寺之敌。顿时漫山遍野红旗飞舞，枪声震天，杀声四起。牛元峰师猝不及防，转眼间成了瓮中之鳖。在红军排山倒海般的攻势下，牛元峰师被夹击在两山之间的一条川谷中，溃不成军，狼奔豕突。
打到上午11时，红军两路部队已将敌军分割包围，红二师首先攻入直罗镇，占领了牛元峰的师部。国民党军士兵像一群无头的苍蝇，到处乱窜。红军漫山遍野去抓俘虏。有的国民党士兵连声说：“我举过两次手了，别打，别打！”那些顽抗的国民党士兵，很快被红军击毙。
到此时，牛元峰才意识到低估了红军的战斗力，只好带着一个营逃进了镇东小寨子里，修筑工事，负隅顽抗。镇东小寨虽被红军战前拆毁，但地形险要复杂，易守难攻，加之敌军昨天来后，抓紧抢修，部分已经恢复。红十五军团第一次猛攻没有成功，正准备发动第二次猛攻时，周恩来指示：敌人已成瓮中之鳖，暂缓攻击，围而不打；寨子里既没粮，又没水，他们总是要逃跑的，争取在其突围时把他们消灭干净。
这一招真灵。牛元峰蹲在寨子里，一个电报接一个电报发出去，要求五十七军代军长董英斌马上派兵前来解围。董英斌派出第一〇六师、第一一一师由黑水寺前来增援，没到半路上就遭到红一军团主力和红十五军团两个营迎头痛击，被打得焦头烂额，调头便跑。红军则乘胜追击，在张家湾至羊角台途中歼灭了第一〇六师六一七团。在待援无望、缺粮少水的情况下，23日半夜，牛元峰率残部向西突围逃跑。红十五军团随即跟踪追击，战士们说：一定要把这条“牛”追回来。红十五军团战士一口气“追牛”25里，将牛元峰残部一个营全部歼灭。这时牛元峰身边只剩下了两个手下，红军越追越近，在后面高喊“缴枪”。牛元峰眼看自己快要成为红军的俘虏，沮丧地抽出腰上的手枪，试了几次，却又不敢向自己的脑袋开枪，于是就把手枪交给副官说：“你把我打死。”副官接过手枪，照牛元峰右后脑打进一颗子弹，这头“牛”顿时面颊炸碎而死。
至此，直罗镇战役胜利结束。山坡上、镇子里，到处堆积着缴获的枪支弹药，到处聚集着被俘虏的国民党官兵。胜利的喜悦，洋溢在每个红军战士心里。
回师路上，特派员欧致富要陈赓坐着担架回去，陈赓说什么都不肯坐，命令两名担架队员去抬其他伤员。他风趣地说：“你要知道，抬上阵光荣。抬下阵呢？人家说你是‘败将’。多难听呀！再不坐了！”
直罗镇战役，全歼国民党军第一〇九师全部和第一〇六师1个团，俘敌5300余人，打死打伤1000余人，缴获大批武器装备。红军指战员在战役结束后全部穿上了棉衣。直罗镇战役粉碎了蒋介石对陕甘苏区的第三次“围剿”，迫使敌一〇八师、一一一师退回甘肃境内，东路侵入羊泉源的一一七师也被赶出鄜县（今富县），陕北苏区得到巩固和扩大。
11月30日，红一方面军在直罗镇东村教堂召开了庆祝会师和直罗镇战役胜利大会。毛泽东兴奋地说：“直罗镇一仗，中央红军同西北红军兄弟般的团结，粉碎了蒋介石对陕甘边区的‘围剿’，给党中央把全国革命大本营放在西北的任务，举行了奠基礼。”