敌师长牛元峰洋洋得意，以为“旗开得胜”，马上让参谋发电报，向总部和军部报捷，声称他已占领了直罗镇。随后，他同他的幕僚们下马徒步走了几里，最后，乘马耀武扬威地进入镇子中心。只见镇内空无一人，门扉紧闭，唯见墙上到处贴有红红绿绿的标语：“中国人不打中国人”，“你们的敌人是日本鬼子”，“我们帮你们打回老家去”等等。
牛元峰驻在镇内，一方面令2个团在直罗镇两侧高地北山寺和旗杆山做好警戒，一方面放纵其部下在镇内大肆劫夺米、面、鸡、鸭、猪、羊，大摆宴席，庆祝“胜利”。大小官兵，呼幺喝六，划拳饮酒，一个个喝得歪头倒地，呼呼大睡。
当晚，毛泽东、周恩来、彭德怀下达了作战命令。21日拂晓前，红一军团和红十五军团，按既定部署，迅速进入阵地，将直罗镇包围得水泄不通。毛泽东、周恩来亲临前线指挥，特别指示部队负责同志，一定要打歼灭战。战斗打响后，红一军团派人向毛泽东汇报战况，毛泽东再次指示：这个仗一定要打好！你们二师突击到直罗镇时要很好协同红十五军团作战，彭德怀跟红十五军团行动，要特别注意同他联系，要加强团结和协作。毛泽东再三叮嘱：我们要的是歼灭战，不是击溃战。
天刚亮，红一军团和红十五军团突然发动猛攻，激战至上午10时许，两军团分别将北山和南山守敌大部歼灭，牛元峰率残部500余人，撤到镇东旧寨子，固守待援。红七十八师向寨子残敌第一次攻击没有奏效。周恩来到阵前观察说：敌人已成了瓮中之鳖，不好攻暂且圈着算了。寨子里既没粮，又没水，他们总是要逃跑的，争取在运动中消灭它。半夜12时，牛元峰果然率残部向西突围，红军紧追不舍，将其全部歼灭。当红军追近时，牛元峰突然站住，从腰上把勃朗宁拿出交给副官说：“你把我打死。”副官接过手枪照牛元峰右后脑打了一枪，子弹从前面穿出面颊炸碎而死。
解决了直罗镇之敌后，红一军团回师北进，欲消灭黑水寺的敌一〇六师。但敌一〇六师得知一〇九师被歼后，抱头鼠窜。毛泽东命聂荣臻率红一军团追击，红一军团不顾雪大路滑，跟踪追击，在太白镇附近消灭了该师1个团。毛泽东要聂荣臻在前线释放几个俘虏军官，并捎话，只要东北军同意反蒋抗日，与红军停战，我们俘虏的人枪，日后可如数归还。后因该师师长沈克态度不明朗，毛泽东认为与他谈判无益，便命令红一军团从太白镇撤回。
直罗镇战役战绩辉煌：敌一〇九师被歼，师长牛元峰被击毙；俘虏敌人5300多名，打死打伤1000多人，缴获了大量的枪支弹药。对于俘虏的敌人，进行教育之后，将他们放回，这对日后争取东北军与红军达成停战协定起了很好的作用。直罗镇战役，彻底粉碎了敌人对陕北苏区的第三次“围剿”，巩固和扩大了陕北苏区，给党中央把全国革命大本营放在西北的任务，举行了一个奠基礼。
直罗镇大捷后，红一方面军进驻杨泉源一带，举行了祝捷大会。红一军团和红十五军团互派参观访问团，互相参观和访问，两军呈现出一派团结胜利的景象。
11月31日，毛泽东在鄜县东村召开的红一方面军营以上干部大会上，作了《直罗镇战役同目前的形势与任务》的报告，深刻总结了这次战役胜利的原因及其意义。
毛泽东分析胜利原因有4条：
一、2个军团的会合与团结（这是基本的）。红一军团和红十五军团的兄弟般的亲密团结，是取得这次胜利的基本原因。
二、抓住了战略和战役的枢纽（葫芦河与直罗镇）。红军既抓住了葫芦河这个能粉碎敌人封锁，便于红军向南发展的战略枢纽，又抓住了直罗镇这个在地形、群众等条件都有利于红军作战的战役枢纽。
三、战斗准备的充足。部队进行了休整、训练，拔除了张村驿、东村等地的民团土围子，战前作了周密的地形调查等。
四、群众与我们一致。鄜县的革命地方政权、地方武装和革命群众大力积极参战支前，密切配合红军主力作战，是取得胜利的一个重要条件。
毛泽东讲到这次战役胜利的重大意义时指出，由于胜利，最后解决了第三次“围剿”，敌人非重新调兵部署不能向我们进攻了。这就给了我们以准备打破新“围剿”的条件、时间与地区。他强调时间与地区对于红军是十分重要的。我们要利用已经取得的每一点钟时间与每一方里地区，来进行准备2次“围剿”之间的一切基本工作。
毛泽东还以鼓舞人心的话语阐明：这次胜利使刚刚会合的南中北3支红军得到进一步加强，使我们能够利用时间去猛烈扩大红军，巩固苏区，猛烈地扩大苏区。我们的胜利还告诉日本帝国主义与国民党，我们不准日本帝国主义灭亡我们的华北与全国，不准国民党卖国到底的。全世界革命与战争的新时期和中国新的大革命的形势，摆在我们面前。我们的新任务就是用极大努力争取与积蓄更加充足的力量，迎接敌人新的大举进攻并粉碎之，开辟苏区到晋陕甘绥宁5个省内，到那时将争取苏维埃在北方七八个省内、南方若干个省内的伟大胜利，把抗日战争掀到最高程度。
毛泽东的讲话指明了中央红军与陕北红军会合后的形势与任务，经过直罗镇大捷，中央奠基陕北的任务已有了一个良好的开端，中国革命必将出现一个崭新的局面。
中央红军长征到达陕北时，中共北方局派驻西北的代表团，正在陕北推行王明“左”倾错误路线。从1935年7月开始搞的错误的“肃反”运动，逮捕了刘志丹等原陕甘边和陕北工农民主政府的几乎所有主要负责人。同时，在土地革命和军事策略等重大问题上也推行“左”的错误政策，严重危害了陕北革命根据地的革命事业。这种情况与1年前中央苏区的情况惊人地相似，摆脱了“左”倾错误路线才来到陕北的毛泽东等中央领导同志感到十分吃惊。
在着手组织直罗镇战役的同时，毛泽东和党中央也着手解决陕甘苏区肃反扩大化的问题。
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