月20日，牛元峰指挥109师向直罗镇开进，董英斌还派出了6架飞机担任空中支援。109师虽然也遇到红军的抵抗，但是两军交火不久，红军就被打得溃不成军。这是红军的诱敌之策，牛元峰还以为自己的东北军部队真的能打。
牛元峰不费力气就拿下了直罗镇，他又派出两个团占领南北两山的制高点，其余部队驻扎在镇内。牛派人向董英斌报告说已经顺利占领了直罗镇。之后109师全军上下大吃大喝，他还放纵手下强夺百姓的粮食和财物。到了晚上，官兵都吃喝抢掠累了，放心地睡起大觉来。
请君入瓮。
敌人已经入翁，红军开始按照原计划实施歼灭战。
红军领导把指挥部设在了东面山坡上。彭德怀和徐海东指挥十五兵团，他们把指挥所设在南面的山坡上，而林彪和聂荣臻则指挥第一兵团，他们的指挥点互成三角形。
参与指挥这次战斗的除了彭、林、聂三位红军名将外，还有罗荣桓和叶剑英。另外除了徐海东以外，还有陈赓、张云逸、肖劲光、罗瑞卿和黄克诚等诸多悍将。
1935年11月20日晚，主要领导下达总攻命令，第一军团从北面发起攻势，而十五军团则从南面进攻。牛元峰从睡梦中被枪炮声惊醒，连忙向董英斌军部求援，但是他的电话线早被剪断。
战至21日，牛元峰只带领一个营的兵力突围出去，但是红军却紧追不舍。眼看他带的残兵就要被歼灭，他就把手枪交给副官，让副官结果了自己的性命。牛元峰战死。
西北剿总晏道刚得知109师被围，急忙命令各路人马去搭救。红军早有准备，精兵强将把救援的敌军阻击在直罗镇外围不能前进一步。
董英斌的部队从太平镇出动，却遭到红军的反杀。董英斌救援不成，反而被红军追击，其106师的一个团遭到红军的围歼。董英斌仓皇逃回太平镇，依靠坚固的工事，坚守不出。
红军考虑太平镇驻军较多，又有坚固的工事，特别是红军还想争取东北军反蒋抗日，就没有对太平镇发动猛攻。至此，直罗镇歼灭战顺利达成了作战目的。东北军109师和110师整师被全歼，106师一团被全歼，此战共歼敌1000多人，俘虏敌人5300多人，并缴获大量武器装备。
直罗镇战役，打破了老蒋对陕北根据地的围剿，为红军在陕北站稳脚跟打下了坚实的基础。
红二方面军和红四方面军都没参与直罗镇战役，威震全中国的贺龙和徐向前还没有出场。
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