在陈赓进行闻喜战役期间，晋绥军区贺龙部在晋北展开攻势作战，迫使同蒲路临汾南北的阎锡山主力北调，将晋南大部防御任务交给胡宗南。
阎锡山军陆续北调后，灵石至洪洞段国民党军兵力薄弱，各部分布情况是：第61军军部率第66师守临汾，地方团队千余人防洪洞，第39师大部及地方团队共3000余人守备赵城，第69师等部2000余人守备霍县，保安第16团1000余人守备灵石，第34军守备平遥、介体及其以北点线。胡宗南因遭陈赓闻喜一役的当头棒吓，各部像乌龟一样缩在闻喜、安邑地区，不敢妄动。这就为陈赓打击阎锡山提供了难得的机遇。
8 月6 日，毛泽东致电陈赓、谢富治：“你们对洪赵应先行侦察，然后秘密运动部队，用突袭的方法夺取之，不使胡军事前知道。”
这是一个继续调动胡宗南而歼之的计划。陈康立即按毛泽东的指示，进行部署，准备北上打击阎锡山。
8 月10日，毛泽东再致电陈赓：“我军必须于最短期内逐一攻取赵洪霍三城（可能时夺取临汾），在阎胡两军之间迅速创造战场，吸引胡军向北，而各个击破之。”“希望你们于本月内完成夺取洪赵霍三城之任务。”
陈赓根据毛泽东的要求，决心立即北上同蒲路作战。其部署是：以第10旅攻赵城，第11旅攻洪洞，得手后，北上霍县、灵石；第24旅包围霍县守军，而后协同第10、第11旅将其歼灭；第13旅位于闻喜、绿县地区，牵制胡部；太岳军区部队分别牵制临汾和平遥、介休地区的问部。同时，向部队提出了争取政治和军事双胜的号召，要求部队做好新解放区的工作。
当天，陈赓率第4 纵队主力由闻喜隐蔽北上。8 月14日，陈赓突然发起同蒲战役，洪洞守军放弃外围据点退守城区顽抗。16日晚，第11旅部队经过充分准备，一举将洪洞城攻克并全歼守军。与此同时，第10旅开始进攻赵城，但第一次突击没有成功。
赵城，是一座古城。阎锡山在这里修了大量碉堡，工事极为坚固。阎锡山在发现陈赓攻击赵城后，立即令城中守军坚决抵抗，并派援兵进行支援，企图拖住陈赓的主力。
陈赓下令第10旅要速战速决，决不能形成“久攻不下”局面。旅长周希汉经过准备，第二次组织冲锋，并于17日晨突入城内，守军突围西逃，但终被全歼。
8 月19日，毛泽东获悉陈赓部攻克洪洞和赵城后，极为高兴，立即致电祝贺，并要求陈赓乘势占领霍县、灵石，创造战机，待胡宗南北进后，各个击破歼灭之。
陈赓得令后，下令第11旅不顾疲劳兼程北上。11日，第11旅在第24旅的协同下，攻克霍县，歼灭守军大部。此时，灵石的阎军弃城西逃，第11旅以一部占领灵石，以一部西渡汾河，追击逃敌，进而歼逃军1 个营。9 月1 日，第＊旅又解放富家滩煤矿及车站。
至此，陈赓已连续作战半个月，攻占阎锡山盘踞的洪洞。赵城、灵石，并协同吕梁部队攻占汾西县城，歼敌1.2 万余人，控制铁路线100 余公里。这一胜利不仅重创了阎锡山军，破坏了同蒲铁路交通，而且粉碎了胡、闽南北合击陈赓部，打通同蒲路的图谋，为继续歼灭北进的胡宗南军开辟了有利战场，为将来打大仗，打下了基础。
晋南人民对陈赓的胜利，无不拍手称快，对陈赓部的严明军纪更是佩服，人民群众称这支部队是“仁义之师，秋毫无犯。”
陈赓一下子就消灭了“阎老西”一万多人。又恨又恼的阎锡山无力也无法找陈赓算帐，于是就通过蒋介石找到了胡宗南的头上。阎锡山能长期盘踞山西，靠什么，就是靠见风使舵。而此时，蒋介石更需要阎锡山，如果不拉阎锡山一把，会使阎重走老路——与共产党结盟或干脆投靠中国共产党。于是就狠狠训斥胡宗南，并令其火速北上，寻找陈赓为阎锡山报仇。