这天，整编三十六师离开榆林，开始全速南下。

局势陡然间危机四伏:黄河以西，无定河以东，南北约二十公里，东西约三十公里，在这样一片狭长的地带内，毛泽东已处在国民党军十几万兵力的南北夹击之中。

为了摆脱危险，也为了令彭德怀不要顾及中央放手作战，九支队决定自行转移。原定的路线是渡过无定河向西，再次返回小河村一带，绕到敌人的后面去。但是，连日大雨，河水暴涨，无法徒涉，又没有找到船只，无奈之下只好向东北方向转移。毛泽东疲惫之极，但坚持不坐担架。在陈家岔住了一晚之后，第二天过乌龙铺，继续向东。黎明时分，毛泽东到达葭芦河边，原来细小的水流现在已是一片汪洋，根本无法通过。河的两侧是高山，后面是刘戡的追击部队。毛泽东和任弼时商量了片刻，决定向西北方向前进，那里是绝壁山峰。毛泽东挥挥手说:“咱们上山!”汪东兴嘱咐战士上山不要留下任何痕迹。毛泽东说:“不用不用，竖块牌子，上面写上毛泽东由此上山!”山顶上有个小村庄，叫白龙庙。毛泽东往石头上一坐，说:“不走了!就在这里休息，等敌人上来，打他三个钟头再走不迟!”站在这里，可以看见远处的葭县县城，刘戡追到葭芦河边仍没找到毛泽东的踪迹，于是架起大炮开始猛轰葭县县城。

八月十八日清晨，九支队继续转移。雨下得更猛，下山的时候，被洪水推着走，大家挽着手，免得被水冲走。下到山谷里，向北走到葭芦河上游，找到河面相对较窄的地方开始架浮桥。警卫战士在湍急的河水中几次架桥都没有成功，毛泽东坐在河边石头上低头看文件。汪东兴建议将毛泽东设法弄过河去，毛泽东不愿意。在当地百姓的帮助下，浮桥终于架成了，周恩来在桥上来回走了几趟，然后让毛泽东过河。毛泽东坚持让机要人员、电台和文件先过，自己最后才上了桥。他刚一过去，轰隆一声，浮桥被洪水冲垮了。第二天，毛泽东一行到达梁家岔。

晚上二十三时，彭德怀来电:“拟于明日拂晓包围沙家店附近敌之两侧而歼灭之，因此不能到中央住地去，请中央转移到刘全塌[离梁家岔二十里]以靠近主力。”毛泽东命令九支队轻装，准备七天的干粮，把文件烧毁，准备随时向西突围。他说:“沙家店一带要打大仗，两军主力都集中在这里，地区狭小，打得好，我们转危为安，不走了;打不好，我们就往西走，出长城，进沙漠。”

形势所迫，对国民党军整编三十六师的作战，将决定共产党人在陕北的命运。

攻击在瓢泼大雨中开始。一纵和二纵首先将整编三十六师师部和一六五旅包围在沙家店地域，随之发动了猛烈的攻击。钟松对突然遭到攻击有些不知所措，立即命令部队在泥沟以北、张家坪以东迅速构筑防御工事进行抵抗，同时急令前面的第一梯队一二三旅迅速向沙家店靠拢。

战后一二三旅旅长刘子奇回忆道：

解放军由正面和右侧同时发动反攻，以压顶之势从两面高山杀下，向整第一二三旅全线阵地猛冲，有的阵地被轮番连续冲击发生白刃肉搏，死伤枕藉，干部伤亡很多，炮兵营长亦遭炮火击毙，山炮一门被击毁，两门因无炮弹已成瘫痪，骡马被打得四散乱奔。派往后面掩护并与援军联络的一个加强排也无踪无影。在战斗紧张时候，虽由西安派来三架次飞机参战，投下几枚小炸弹，对解放军丝毫没起作用。首先第三六八团阵地全部被毁，团长失踪，官兵没退回一人。由于一个团被消灭后，旅只残存三个小山头的阵地，解放军的火力更加猛烈地集中在这块狭小的阵地上，更显得锐不可当。第三六七团的大部官兵伤亡，阵地失守，电台被炮弹打得粉碎，同各方联络断绝，情况不明。各路援军均被解放军阻击未到，而解放军则不断向阵地周围拥来。这时候我看到前途已经绝望，立即带着残部突围，多次冲击俱未成功，混战到将近黄昏时，终于全军覆灭。

刘子奇突围未成被俘。

沙家店一战，西北野战军毙伤国民党军整编三十六师两千余人，俘虏四千余人，总计六千余人。西北野战军伤亡总计一千八百三十九人。战斗结束后，毛泽东、周恩来和任弼时一行亲临沙家店战场，毛泽东对官兵们说:“沙家店这一仗确实打得好，对西北战局有决定意义，最困难的时期已经过去了。”

是夜，胡宗南在日记中写道:

本夜作战会报判断匪以全力攻三十六师师部，其对五十五、一二三、一六五各旅皆为牵制隔绝，使眩感于眼前形势，不敢奋进，使三十六师师部陷于孤立而被消灭。夜不能睡。