根據這次政治局會議的決定，****中央領導人暫分兩路：張聞天、博古、王稼祥、劉少奇等率領****中央機關先到陝甘根據地的後方瓦窯堡；******、周恩來、彭德懷率紅一方麵軍開赴前線，準備粉碎國民黨軍隊對陝甘根據地的第三次“圍剿”。
這時，蔣介石已經知道中央紅軍和陝甘紅軍會師的消息，重新調整了部署，調集東北軍五個師的兵力組織新的進攻：在西邊，以第五十七軍四個師由隴東沿葫蘆河向陝西鄜縣東進；在東邊，由第六十七軍第一一七師沿洛川、鄜縣大道北上，企圖圍殲紅軍於洛河以西、葫蘆河以北地區，摧毀陝甘革命根據地。
局勢看起來十分危急，******卻指揮若定。他和周恩來、彭德懷決定：集中兵力，向南作戰，先在鄜縣的直羅鎮打一次殲滅戰，消滅沿葫蘆河東進的敵軍一至兩個師，再視情況轉移兵力，各個殲敵以打破這次“圍剿”。十一月十八日，在直羅鎮以東的東村，******主持召開西北軍事委員會議，作關於戰略計劃的報告。指出：大量消滅敵人，猛烈擴大紅軍，擴大蘇區，是三位一體的任務。戰略方針是攻勢防禦。建議將紅軍主力集中南線。會議通過******這個報告，要求兩個軍團分別付諸實施。
第二天，******和彭德懷致電第一軍團軍團長****、政治委員聶榮臻，指出東北軍第一○九師明日有到直羅鎮的可能，我軍應準備後日作戰。在發起進攻前，他又要求紅一軍團和紅十五軍團的團以上幹部到直羅鎮周圍，察看地形，研究具體作戰部署。
直羅鎮是一個不過百戶人家的小鎮，三麵環山，一條從西而來的大道穿鎮而過，北邊是一條小河。幹部們看過後興奮地說：“這一帶的地形，對我們太有利了！”“敵人進到直羅鎮，真如同鑽進了口袋。”
11月6日至7日，紅一軍團由甘泉以西定邊集、下寺灣先後進至富縣西北的老人倉、秋林子地區，紅十五軍團攻占了直羅鎮以東的張村驛、東村等據點，並以一部兵力加強圍攻甘泉，以調動國民黨軍東進。
11月19日，國民黨軍第五十七軍一個師留守太白鎮，主力沿葫蘆河向直羅鎮、富縣前進，並以其先頭部隊第一〇九師進至黑水寺、安家川地區，軍部及另兩個師進至張家灣東北地區。******決定，乘國民黨軍第一〇九師先出頭的有利時機，首先殲其於直羅鎮地區。
11月20日下午，東北軍第一〇九師在六架飛機的掩護下展開進攻。紅軍以一部兵力節節抵抗，逐漸將敵誘入直羅鎮，進入了紅軍預設的戰場之內。紅軍乘夜將其包圍，第二天拂曉發起進攻。紅一軍團由北向南，紅十五軍團由南向北，兩麵猛烈夾擊，戰至下午2時，殲一〇九師大部。此時，國民黨軍東西兩路援軍已迫近直羅鎮。紅軍遂以少數兵力圍困一〇九師殘部和阻擊由富縣西援的國民黨軍一一七師，主力部隊迎擊由黑水寺向直羅鎮增援的國民黨軍第五十七軍另兩個師。國民黨軍懼怕被殲，於23日下午沿葫蘆河西進。紅軍跟蹤追擊，在張家灣地區殲其一個團，其餘國民黨軍退回太白鎮，由富縣出援的國民黨軍第一一七師也倉皇逃回富縣。與此同時，一〇九師師長牛元峰及其殘部500餘人被紅十五軍團圍在鎮東頭的土寨子裏，待援無望，23日趁黑夜突圍，24日上午被紅軍全殲，師長牛元峰自戕身亡。至此，直羅鎮戰役勝利結束，紅軍徹底粉碎了國民黨軍對西北根據地的第三次“圍剿”。
直羅鎮戰役全殲國民黨軍一〇九師又一個團，俘虜5300多人，繳獲長短槍3500多支、輕機槍176挺、迫擊炮8門、子彈22萬發。11月30日，****中央在富縣東村召開紅一方麵軍營以上幹部會議，******作了《直羅鎮戰役與目前的形勢與任務》的報告，指出：“直羅鎮一仗，中央紅軍同西北紅軍兄弟般的團結，粉碎了賣國賊蔣介石向著陝甘邊區的‘圍剿’，給黨中央把全國革命大本營放在西北的任務，舉行了一個奠基禮。”
戰役結束後，******在紅一方麵軍營以上幹部大會上，作了《直羅戰役同目前的形勢與任務》的報告。他指出取得這次戰役勝利的原因是：“一、兩個軍團的會合與團結（這是基本的）。二、戰略與戰役樞紐的抓住（葫蘆河與直羅鎮）。三、戰鬥準備的充足。四、群眾與我們一致。”報告還提出，在新形勢下，對待俘虜軍官采取一律不殺和優待釋放做法，既搞下層統一戰線也搞上層統一戰線。這是針對過去“左”傾教條主義領導人主張隻搞下層統一戰線、不搞上層統一戰線來說的。
會後，******會見徐海東。先同他談了當前敵人動向和我們將采取的對策，然後詢問部隊傷亡和傷員安置的情況，要他好好組織部隊休息，讓戰士們都洗洗腳。當聽他講到在鄂豫皖根據地搞的肅反中還有三百多“反革命嫌疑犯”沒有作結論時說：這些同誌都跟著長征一路過來，吃了許多苦，為什麼還當作反革命？要立刻給他們摘掉嫌疑犯的帽子，黨員恢複黨籍，團員恢複團籍，幹部要分配工作，還要徐海東親自去解釋，安慰他們。徐海東回憶道：“我按照毛主席的指示，向三百多個被冤枉的同誌宣布了恢複他們的黨團關係。三百多個同誌全哭了，我也流了淚。從這件事，我又一次感受到，毛主席是最實事求是的。那些同誌如果不是毛主席，不知還要被冤枉多久呢！”
******十分關注陝北肅反擴大化的問題。他和周恩來、彭德懷從前線致電張聞天、博古，請他們詳細考察這方麵的實際情況，並且肯定地指出：“錯捕有一批人，定係事實”；要糾正錯誤，但處理要慎重，要有利於領導層的團結。****中央決定：由董必武、李維漢、王首道、張雲逸、郭洪濤負責審查這個“案件”。
直羅鎮戰役結束後，******等從前線回到後方的瓦窯堡。他和****中央其他負責人一起，聽取五人小組關於審查劉誌丹等“案件”情況的彙報，指出：“逮捕劉誌丹等同誌是完全錯誤的，是莫須有的誣陷，是機會主義，是‘瘋狂病’”，應予釋放。王首道回憶說：“毛主席還號召全體幹部、軍民進一步加強團結，一致對敵。毛主席的指示和劉誌丹等同誌釋放的消息傳出以後，廣大軍民奔走相告，歡欣鼓舞，熱烈歡呼：‘劉誌丹同誌得救了！’‘陝北得救了！’”
直羅鎮戰役的勝利和陝北肅反擴大化問題的糾正，使陝甘革命根據地原來麵對的兩個最緊迫的問題得到了解決，使****中央能夠在這裏站定了腳跟，能夠獲得一個相對安定的環境來考慮和處理許多帶全局性的問題。