11月18日，在直罗镇以东的东村，毛泽东主持召开西北军事委员会议，作关于战略计划的报告。指出：大量消灭敌人，猛烈扩大红军，扩大苏区，是三位一体的任务。战略方针是攻势防御。建议将红军主力集中南线。会议通过毛泽东这个报告，要求两个军团分别付诸实施。
11月19日，毛泽东和彭德怀致电第一军团军团长林彪、政治委员聂荣臻，指出东北军第109师明日有到直罗镇的可能，我军应准备后日作战。在发起进攻前，他又要求红一军团和红十五军团的团以上干部到直罗镇周围，察看地形，研究具体作战部署。
11月20日下午，东北军第109师在飞机掩护下孤军深入，沿葫芦河进入直罗镇。当晚，毛泽东下达命令，按原定部署，红一军团从北向南，红十五军团从南向北，在拂晓前包围直罗镇。毛泽东的指挥所设在距直罗镇不远的一个山坡上。战斗打响前，他在下达作战命令时斩钉截铁地说：“这个仗，一定要打好!”“我们要的是歼灭战，不是击溃战!”
11月21日拂晓，红军突然从南北山上向直罗镇猛扑下去。第一○九师仓促应战，激战至下午二时，大部被歼。红军在打援中又歼灭援军第一○六师的一个团。
到11月24日，第一○九师残部在突围中被红军全歼。直罗镇战役的胜利，打破了国民政府军队对陕甘根据地的“围剿”，用毛泽东的话来说：是“给党中央把全国革命大本营放在西北的任务，举行了一个奠基礼”。
直罗镇战役结束后，毛泽东等从前线回到后方的瓦窑堡。他和中共中央其他负责人一起，听取五人小组关于审查刘志丹等“案件”情况的汇报，指出：“逮捕刘志丹等同志是完全错误的，是莫须有的诬陷，是机会主义，是‘疯狂病’”，应予释放。
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