當敵36師第123旅前進到劉家溝時，帶領隨後敵軍的36師師長鍾鬆頓時覺得123旅離他太遠，急忙電令123旅撤回沙家店。但因天黑，山路崎嶇，敵123旅害怕被殲，隻讓一個團後撤，主力仍在劉家溝不敢移動。8月20日淩晨兩點，我軍對鍾鬆發起攻擊。敵人不敢跳出陣地，鍾鬆一麵指揮部下憑構築的工事抵抗，一麵急命123旅回援。在師長的嚴令下，123旅於8月20日清晨4點由劉家溝急馳沙家店。但他們不敢走大路，繞道常高山而來，正好遭到我在常高山的教導旅和新編第4旅的攔截。兩個小時內，敵36師第123旅就被全殲，旅長當了俘虜。
南麵的劉戡得知鍾鬆被包圍，也趕緊前來救援，但我軍早有準備，派出部隊在葭縣一帶阻擊。鍾鬆見援兵不是被殲就是被阻，便急著要突圍。胡宗南氣壞了，打電話把鍾鬆大罵了一頓，還命令他“固守待援”。鍾鬆隻得服從，留在原地硬撐。可“待援”必須有援兵，這一帶哪裏有援兵？胡宗南還是找到劉戡頭上。他打電話訓斥劉戡“救援不力”，命令他星夜救援鍾鬆。劉戡倒不是不救，而是因為受到阻擊，怕被解放軍消滅，所以行動遲疑。胡宗南更火了，下令要把劉戡撤職查辦。
就在敵人亂作一團的時候，西北野戰軍司令員彭德懷發出總動員令。總動員令說：徹底消滅敵36師是西北戰場我軍由戰略防禦轉為戰略進攻的開始，是收複延安解放大西北的開始，全體指戰員務必在本日黃昏以前全部殲滅敵人。我軍協同作戰，英勇頑強地和敵軍展開了激戰。當日下午6點，就多處突破敵人的陣地。除鍾鬆帶領少數幾個人逃跑外，其餘敵軍全部被殲。
當毛澤東在窯洞裏得知這一消息，微笑著說：“好，這回看胡宗南怎麼交代！”門外的警衛員們知道這一消息後，立刻歡呼雀躍。
第二天剛亮，就有傷員的隊伍從沙家店戰場下來。軍醫一齊出動，給傷員換藥，包紮傷口；中央機關工作人員也全體總動員，組織臨時救護隊，連機關的牲口也全都去拉傷員。
接著，毛澤東、周恩來等人到西北野戰軍司令部駐地去祝賀。毛澤東說：“這一仗確實打得好！這是西北野戰軍由內線防禦到內線反攻的轉折點，是陝甘寧收複失地的開始。從此，全國戰爭的主動權已完全為我掌握。打了這一仗，就過坳了！”意思是走過了山坳，渡過了最困難的階段，爬上山坡了。
由於胡宗南機動兵力被拖在北線，後方空虛，晉冀魯豫野戰軍太嶽兵團大軍順利地渡過了黃河。胡宗南著了慌，十萬火急命令劉戡南下。劉戡南逃時，西北野戰軍又來一個追擊。這樣，把敵人擠出了陝北。
沙家店之戰的勝利，標誌著西北野戰軍反攻的開始和國民黨對陝甘寧解放區重點進攻的失敗。
西北野戰軍自1947年8月沙家店戰役後，隨即進入內線反攻。10月上旬連續發動攻勢，收複延長、延川、清澗三地，殲敵8000餘人。生俘敵76師師長廖昂。10月26日至11月10日，又兩次圍攻榆林，殲敵2400餘人。之後轉入外線作戰。