在黃河以西、無定河以東、南北三四十裏、東西五六十裏的狹長地帶，敵我雙方集中了十幾萬大軍，中央機關臨近敵人，處境險惡。“九支隊”原想渡過無定河向西，再次返回小河一帶，插入敵人後方，但沒有找到船。又不能涉水渡河。無奈，即向東北方向轉移，到達神泉堡附近的曹家莊。黃河就在眼前，敵情極為嚴重。周副主席、任弼時等又勸毛主席暫過黃河，以保證黨中央的安全。但毛主席堅決不同意，“九支隊”又沿黃河北上。行軍途中，周副主席病倒，人們勸說再三才坐上擔架。鞋底破洞露了出來。
9時，黎玉、張鼎亟電告陳粟：膠東數萬傷員、家屬已分散，有的已送東北、朝鮮。
17日
5時，劉鄧電告所屬各部並報中央軍委稱，敵已判明我到大別山（在此之前敵尚摸不清我之戰略意圖），正部署堵擊中。我軍務於19日全部渡過沙河。
劉戡軍分幾路向佳縣、神泉堡等地逼近，直接威脅我黨中央安全。中央警備團一早連接三道命令，劉團長親自率—個連赴前沿偵察、警戒。“九支隊”夜間冒雨行軍。葭蘆河水暴漲。任弼時到河邊察看，命隊伍沿河岸往西北方向走。中午到白龍廟，人困馬乏。毛主席說：“不走了，就在這裏休息。敵人上山來，打它三個鍾頭再走不遲。”
國民黨軍在蘭封境內貫台地方掘毀黃河堤防兩處，水淹我解放區軍民。
18日
敵劉戡和鍾鬆部日益接近，將“九支隊”夾在當中。彭德懷派兵掩護黨中央、毛主席向安全地帶轉移。正吃早飯時，傳來炮聲、機槍聲，中央警備團飛奔上山。準備阻擊敵人。隊伍行至葭蘆河邊，又遇洪水而被阻。在萬分危急關頭，周副主席、任弼時指揮戰士和老鄉架橋，毛主席坐在河邊石頭上批閱電報。木橋架好後，周副主席、任弼時在橋上來回走了試試，再請毛主席過河。毛主席則讓馱文件的騾馬、機要人員先過，然後才走過橋去。剛過不久，雷雨大作，橋被洪水衝垮。“九支隊”在大雨中行軍，晚抵楊家園子宿營。
19日
11時，彭德懷電告中央軍委，擬於20日拂曉包圍沙家店附近敵之兩側而殲滅之，得手後，逐次向東北各個殲滅之。我明天不能來你處。請你們20日移至劉全塌（距梁家岔20裏）靠近主力，如何，盼即複。
早飯後，毛主席一行離開楊家園子。中午到達梁家岔，結束了長達19天的行軍生活。
20日
3時，毛主席擬中央軍委致彭德懷電稱：完全同意你對三十六師的作戰計劃。據區政府報告，劉全塌西15裏之吳莊有小股敵人(確否待證）。因此，我們今日在梁家岔不動，如該敵向梁家岔前進，我們擬向槐樹灣方向轉移。
毛主席令中央機關輕裝說：“沙家店一帶要打大仗，兩軍主力都集中在這裏，地區狹小，打得好，我們轉危為安，不走了；打不好，我們就往西走，準備進沙漠。”
中午1時，彭德懷下達作戰命令稱：“消滅三十六師是西北戰場由戰略防禦轉為戰略反攻的開始，是收複延安、解放大西北的開始。我前線指戰員應勇敢作戰，務於本日黃昏前完成殲滅它的任務！”不久，沙家店戰役的炮聲響了！毛主席要警衛戰士在山上聽炮聲。經八小時戰鬥，殲滅胡宗南“勁旅”之一的三十六師。西北戰場從此轉守為攻。
21日
中央致各大區首長電稱：我們19日抵梁家岔與主力會合，大家都安全。劉戡率七個旅19日至鎮川堡、佳縣一線，另三個旅至綏德一帶。我軍集中八個旅，今日於拂曉開始出擊三十六師於鎮川堡烏龍鎮之間，黃昏解決戰鬥。除小部逃脫外，該師主力被殲。經此一戰，局勢即可改變，利於陳謝南進。我劉鄧全軍於8月19日渡過沙河，並占項城等數縣城，向大別山前進。我陳唐、葉陶四個縱隊現至魯西南城武、單縣地區，從內線鉗製敵人，以利劉鄧行動。陳粟率六縱及三縱至聊城地區，會合宋時輪十縱及李先念部，略做休整後即出擊魯西南。許世友、譚震林率四個縱隊現在膠東休整，準備出擊魯中之敵。我陳謝集團(陳謝縱隊四個旅、秦基偉縱隊三個旅及孔從周三十八軍）定於8月21日渡河，進攻潼關、洛陽及豫西。由於以上各項行動及陝北之勝利。已使並將使南線各敵處於被動地位，我之戰略局勢大為改善。東北我軍再有一個多月休整補充，即可大舉出擊。晉察冀我軍亦正準備出擊。全黨全軍應在數月內一致努力，克服一切困難，爭取整個軍事形勢的改變。9-12四個月，將是敵我兩軍轉變形勢的關鍵，務望各同誌齊心努力，爭取勝利！以上各點，望轉告所屬一體知照。
上午，毛主席、周副主席、任弼時到西北前總駐地後東原村，向西北野戰軍指戰員熱烈祝賀沙家店戰役的勝利，並和彭德懷等一起開會，研究西北我軍下一步作戰方針和具體部署。會後，他們又到山上觀看戰場。
毛主席令中央警備團和中央機關人員，幫助運送和護理傷員。周副主席抬擔架，任弼時給傷員端水送飯。
賀龍、習仲勳致電陝甘寧邊區各分區，指出我軍於8月6日開始進攻榆林，是有計劃的誘敵深入，其目的在於吸引胡宗南主力於陝北山地。以便其他解放區進行反攻，打破蔣介石在華北的整個戰略部署。電報要求各分區地方兵團、遊擊隊和民兵積極出動，配合沙家店戰役打擊敵人，動員人力物力解決擔架、運輸、糧食、軍鞋等困難，並將新兵迅速補充兵力。