8月6日劉鄧大軍挺近大別山的前一天，西北野戰軍發起了圍攻榆林的戰役。國軍爲援救榆林，確保其戰略要點，並企圖在米脂、葭縣、榆林地區圍殲共軍或迫其東渡黃河，急令其在安塞、保安地區分兵"清剿"的整編第1軍之整編第1師、整編第90師，整編第29軍之整編第36師(欠第28旅)以及第12旅、第55旅等部共約6萬餘人分路北進。
8月12日，由於國軍援軍一路整編第36師，出共軍意外地走長城以外沙漠地區直撲榆林，共軍失去了在榆林地區運動殲敵的機會，但已完成調敵北上的任務，於是主動撤圍榆林，將野戰軍主力隱蔽地撤至榆林東南、沙家店西北地區待機殲敵。
爲造成敵人錯覺，共軍以後方機關一部僞裝主力從葭縣以北東渡黃河。國軍上當，認爲共軍已“倉皇逃竄”，遂令其援榆部隊加緊追堵。
8月15日國軍進佔綏德後，除以整編第1師留駐綏德外，餘由援榆集團總指揮、第29軍軍長劉戡率領分路向葭縣方向推進:整編第36師師長鍾鬆，自認援榆有功，趾高氣揚，於14日率兩個旅(4個團)遠離主力經歸德堡南下，孤軍冒進，16日進到鎮川堡。
8月17日劉戡率主力由義合鎮進至吉徵店以南地區，並繼續向葭縣方向前進。整編第36師以第123旅配屬第165旅之第493團爲前梯隊，於17日由鎮川堡向烏龍鋪前進。共軍首長判斷該師師部及第165旅(欠第493團)爲後梯隊，可能經沙家店地區東進。因此，決心集中野戰軍主力在運動中殲滅整編第36師，粉碎敵人的合圍計劃。
其部署爲:第3縱隊並指揮綏德分區第4團、第6團，以一部佔領當川寺以北至炮樑村一線高地，主力進至當川寺西南高地隱蔽集結，牽制敵前梯隊行動;第1縱隊第一步集結於高柏山、老虎圪塔地區，待敵前梯隊與我第3縱隊接觸時，主力繞至沙家店東南地區，側擊敵後梯隊，以一部兵力切斷沙家店至鎮川堡敵之退路，並向鎮川堡方向派出警戒;第2縱隊並指揮教導旅隱蔽集結於沙家店以北之寺溝、杜渠地區，新編第4旅隱蔽集結於朱家井、二郎山、中峁溝地區，待敵前梯隊通過並與我第3縱隊接觸，第1縱隊斷敵退路後，向敵後梯隊發起攻擊。預定先殲滅敵後梯隊，得手後，再集中力量殲滅敵前梯隊。
各部統於8月17日7時前到達指定位置。8月18日整編第36師前梯隊(第123旅附第493團)，經萬佛洞、高家園子向烏龍鋪前進，上午10時許在烏龍鋪以南與第3縱隊接觸，共軍且戰且退，誘敵於黃昏時進到烏龍鋪北山。
整編第36師後梯隊(師部及165旅欠493團)，於當日午後在常家高山附近與第1、第2縱隊先頭部隊接觸，因時值大雨，山洪暴發，雙方稍事戰鬥，即向西龜縮。共軍各部隊也爲大雨所阻，未組織追擊，返回原集結地，尋機再戰。
整編第36師師部率第165旅(欠493團)撒至沙家店及其西南地域，並臨時構築工事，防共軍襲擊。已經進到烏龍鋪的整編第36師前梯隊於19日推進到劉家溝。
劉戡所率的整編第29軍軍部、整編第90師以及第55旅、第12旅也於當日進佔神泉堡、葭縣、李家莊、桃向圪塔等地。
8月19日晚整編第36師發現沙家店附近有共軍主力，乃急令第123旅星夜向沙家店靠攏。但第123旅畏遭伏擊，害怕夜戰，當夜僅令配屬的第493團先行馳援。
8月20日拂曉共軍各部到達指定位置並向國軍發起攻擊。第1縱隊首先以第358旅向沙家店東南高地攻擊，獨立第1旅主力向沙家店以南敵陣地攻擊，激戰至上午10時，佔領沙家店、均家溝以東一線高地。第2縱隊以獨立第4旅向張家坪南、西南高地之敵展開攻擊，第359旅從獨立第4旅左翼向常辛莊以南高地之敵攻擊，經數小時戰鬥後，連續攻佔前沿陣地多處。
20日10時左右回援之第493團沿吳家溝川道與其師主力會合。在當日4時纔出動西援之敵第123旅此時也進到常家高山附近，企圖佔領常家高山北側高地，掩護其師主力東竄，當即遭到新編第4旅迎頭痛擊。
國軍爲搶佔這一要點，竭盡全力實施進攻，戰鬥十分激烈。此時，原定從第2縱隊左翼加入戰鬥向敵整編第36師主力攻擊的教導旅趕到，並根據敵情的變化，當機立斷改變了原來的突擊方向，主動向常家高山方向投入戰鬥，迅速與新4旅溝通聯繫，密切協同，完成了對第123旅的包圍。
至此，敵整編第36師師部及兩個整編旅分在兩地被包圍。
20日午後第1縱隊、第2縱隊密切配合，向整編第36師主力進行了猛烈的攻擊，戰鬥到17時，國軍主要陣地均被共軍佔領。國軍傷亡慘重，待援無望，遂企圖逃竄。
第1縱隊即令各部向敵縱深**，進一步割裂敵人部署，斷敵退路。1小時後，國軍全線崩潰，共軍迅速發起追擊，整編第36師師部及第165旅除師長鍾鬆及旅長李日基帶少數殘敵逃跑外，大部被殲滅。
20日14時共軍教導旅與新編第4旅向國軍第123旅發起攻擊，由於指揮靈活果斷，部隊協同密切，作戰勇猛頑強，國軍雖數次向西反攻，企圖與其師主力靠攏，終未得逞。敵旅長劉子奇見援兵不到，向西靠攏無望，部隊傷亡嚴重，遂率殘部突圍。
共軍乘敵脫離陣地之機，再一次發起猛攻，黃昏前，該敵被全殲。
第3縱隊及綏德軍分區第4團、第6團，在國軍第123旅回援其師主力時，除以一部兵力尾擊該敵牽制其行動外，主力在烏龍鋪西北地區展開，阻擊西援之整編第29軍軍部和第55旅、第12旅。戰至當日黃昏，未使該敵通過青陽川，保障了野戰軍主力全殲敵整編第36師的戰鬥。
此時，由於葭縣之敵整編第90師已尾隨其主力西進，共軍即迅速撤出戰鬥。
此役，西北野戰軍共殲國民黨軍6000餘人。至此，扭轉了陝北戰局，西北野戰軍轉入了戰略反攻。
沙家店戰役是扭轉陝北戰局的關鍵一仗，基本粉碎了國民黨軍對陝北的重點進攻。中共中央高度評價這一仗對全國戰局的重大意義，指出:“經此一戰，局勢即可改變。”
23日，西北野戰軍召開旅以上幹部會議，毛**、周恩來、任弼時到會向指戰員們祝賀勝利。毛**說:“沙家店這一仗確實打得好，對西北戰局有決定意義，最困難時期已經過去了。”
趙繼統將毛**的講話內容交給蔣經國，這位“太子”激動的說道：“三月青化砭、四月羊馬河、五月蟠龍、七月榆林、如今又來了個沙家店，胡宗南這個***難怪中共的《人民日報》說他是個‘野心十足、志大才疏 、陰險虛僞的常敗將軍。’”
話音剛落，蔣介石從休息室裡出來喝到：“胡宗南是西安綏靖公署主任、陸軍二級上將，抗日時期的‘西北王’，不是你一個黃口稚兒可以妄自菲薄的！”
他拿過趙繼統手裡的情報，看了看突然閉口不語。整編第36師在沙家店全軍覆沒，師長鍾鬆化裝逃脫;令這位委員長也是氣的不輕···