12日夜，馬步芳的主力第八十二軍3個師趕到。13日撓曉，敵人的山炮就持續地轟擊後，發起猛烈進攻；戰至下午5時，敵全部集結於鹹陽以北之上兆、五塚一線，對一八一師約12華裏正麵陣地展開了全麵攻擊，一場大戰開始了。馬步芳的一〇〇師進攻五四一團，二四八師進攻五四二團，一九〇師進攻五四三團，敵騎第八旅集結於東北地區待命，隨時作迂回鹹陽城的準備，其炮兵則對鹹陽城外盲目射擊。驕狂而愚蠢的馬家軍，首先用搶掠來的耕牛打頭陣，掩護其進攻，竟把兩年前的戰術也搬了出來。經過解放軍一陣射擊，牛被嚇得四處亂竄，攻五四二團的敵人一個營，赤膊揮刀，到陣地前三四百米距離地方突然臥下，一會，約兩個團的敵人又從後麵高坡處漫地壓下來，臥在地下的敵人迅速躍起喊著往前衝。師長王誠漢命令山炮、迫擊炮向敵群猛轟。隻見硝煙滾滾，天昏地暗，煙雲散去，敵屍成堆。在一八一師暴風驟雨般火力打擊下，敵人被阻於陣地前。馬家軍雖遭慘重傷亡，但還是以整營整營的兵力向一八一師陣地衝擊。由於一八一師陣地工事薄弱，敵人又居高臨下射擊，火力得不到很好發揮，加上敵人騎兵進攻速度快，有幾次突入了一八一師前沿陣地。戰鬥持續到14日中午時分，情況更加惡化，一八一師前沿陣地大部丟失，幾個主要支撐點也陷入包圍，各個陣地上都與馬家軍浴血奮戰。五四三團一連一排堅守在左翼一號陣地，被敵人切斷了後路，指導員鄭國俊沉著指揮投彈、射擊，原認為沒有用的舊壕溝，現在卻起了很大作用；敵人雖然包圍了陣地，但過不了壕溝，始終沒法占領一號陣地。鄭國俊組織力量和後邊打通了聯係，但很快又被敵人切斷。如此反複達9次之多，最後，他們憑著剩下的幾顆手榴彈和搜集的石塊，與敵人搏鬥，守住了陣地。敵人一部進攻一八一師中午台前沿陣地被阻後，又以一部兵力插到了後麵，想從後麵攻進中午台，但被壕溝擋住了。壕溝又深又寬，三麵護衛著中午台，敵人把預先準備登城的梯子也運來了，人先站在上麵，然後把梯子高高豎起，企圖趁勢把另一頭搭在中午台陣地上；但壕溝寬，梯子短夠不著，人和梯子都落入溝裏。戰士們把集束手榴彈扔到溝裏，敵人沒法躲，被打得哇哇叫。背後三麵攻不進，敵人又轉到正麵，也攻不動，隻好圍著中午台打轉。
一八一師消滅了大批敵人，伹敵人也攻占了一八一師的大部前沿陣地，師部和各團電話聯係也時斷時續。在這種極端艱難困苦的時刻，各團指揮員沒有向師裏要部隊，都在電話裏表示：堅決守住陣地。戰鬥在繼續發展，一八一師的主陣地更陷入孤立，後邊無後退之路，前沿陣地還必須奪回，前後必須溝通。師長王誠漢考慮最有效的辦法是進行反衝鋒，把敵人消滅在陣地上，奪回前沿陣地。一八一師是夜戰能手，在敵人兵力超過他們數倍的情況下，夜晚反擊是最好的時機。於是在黃昏前，王誠漢向各團下達了實施反衝鋒，奪回前沿陣地的命令。在火炮支援下，反擊戰進行得很順利，很多連隊都得手了。五四二團武團長電話報告說：“七、九連從兩個方向反擊，打掉敵人一個營指揮所，還抓回來一個俘虜。”王誠漢師長叫馬上把俘虜送來，俘虜來後，起初抱著敵視態度，當王誠漢說明了黨的民族政策和俘虜政策後，他才回答問話；他說他所在的營已傷亡過半，今天是三個師同時進攻，除保留在右翼的騎兵旅外，其餘全部遭到重大傷亡。看來敵人的困難比一八一師的困難更大。於是王誠漢向師黨委提出了全麵反擊計劃，黨委立即同意，號召全師指戰員堅決奪回陣地，把敵人趕回去。午夜，各團均用所有力量進行全麵反擊，經過半小時衝鋒，收複大部分陣地。但是中午台及一號陣地的前沿仍被敵人占領著。五四二團武團長立即命令七、九連從兩翼進攻，打通通往中午台的道路；堅守中午台的部隊從裏麵配合。經過激烈戰鬥，反複爭奪，到下半夜，中午台的前治陣地也奪回來了。15日拂曉，一號陣地前沿也收複了。丟失的陣地，經一夜反衝擊被全部奪回。至此，鹹陽阻擊戰勝利結束。
此次戰鬥，殲滅馬軍第二四八師師長韓有祿以下2000餘人，繳獲大批槍支彈藥，出色地完成了堅守鹹陽保衛西安的光榮任務；也結束了陝中戰役。陝中戰役的勝利，加上國民黨晉綏邊區總司令部、第二十二軍及兩個師，於6月1日宣布起義，榆林和平解放。起義部隊後改編為西北軍區獨立第二師。這樣以來，第一野戰軍已無後顧之憂，可全力以赴解放大西北。