1946年11月下旬，胡宗南慑于陈赓纵队已进入吕梁地区而暂缓向延安调兵，毛泽东认为这是乘势扩大吕梁地区为新解放区的绝好机会。于是毛泽东于24日致电陈康、谢富治，令第4 纵队会合太岳军区独24旅，“于数日内以迅雷不及掩耳之势，攻取际县、蒲县、乡宁、吉县、大宁等五县，并准备在蒲县、乡宁地区歼灭整一师可能向我进攻之部队。”
26日，毛泽东在得知独立第24旅在吕梁地区得粮五万担后，又要求陈赓、谢富治从速发动吕梁战役。并要求陈谢“必须说服全体指战员，不要讨厌吕梁区居民落后，物质困难，应使人人明白发展吕梁是保卫延安巩固太岳区的重要条件。目前蒋军与我军争夺吕梁时期，望全体努力取得胜利。”
根据毛泽东的指示，陈赓、谢富洛会同晋绥军区第2 纵队司令员兼政治委员王震研究决定，集中第4 纵队、独立第的旅、晋绥军区独立第4 旅共15个团的兵力，发动吕梁战役。具体部署是：由第4 纵队主力一部会同独立第24旅、第4 旅集中7 个团攻陷县城；由晋绥军区第2 纵队所属第359 旅、独立第4 旅进攻中阳；得手后再攻间军的其他据点。
11月28日，战斗打响。当日即攻占陷县，俘虏阎锡山晋西地区总指挥杨澄源，歼3000多人。与此同时，其他部队很顺利就攻占了离石、石楼、蒲县等城镇。进攻中阳时，遭到了国民党守军的顽强抵抗。
中阳是阎锡山军队把守的一座县城，驻暂编第45师第1 团，其主要碉堡多由厚达2 米的坚石砌成，用重炮亦难以平毁。
晋绥军区第2 纵队攻了几次没成功后，增调了工兵参战。12月11日晚发起总攻。攻城部队先使用2000余公斤的炸药，炸毁城墙及碉堡，开辟出了攻城的通路，经一夜激战，全歼国民党军整编第45师第1 团，该团团长张居乾在给阎锡山的求援电中称：“共军使用了原子性炸药，装置于数米之外，即可将碉堡完全炸毁。”
至此，吕梁战役第一期作战以解放8 座县城而胜利结束。
此时，彭德怀、习仲勋受中共中央军委和毛泽东委托来到刚解放不久的中阳，准备与晋绥军区司令员贺龙、政治委员李井泉及陈赓、王震等人商讨保卫延安的作战计划。陈赓和王震在解放陷县后就迅速赶往晋绥解放区腹地的离石县，参加彭德怀主持的军事会议。会议于12月17日在离石城西八里的向家沟举行。关于这次会议，习仲勋曾回忆说：“1946年冬，蒋介石发动全面内战将近半年，西北地区的敌人也蠢蠢欲动。为了备战，彭老总和我从延安动身，渡过黄河，赶到晋绥……会见了陈赓将军，共同研究如何配合作战，保卫党中央，保卫陕甘宁边区。”当时“关于保卫延安的战略方针，曾有两种设想：一种是把陈赓将军的部队从山西调过来，加强西北的力量，在延安外围地区消灭敌人；另一种是放弃延安，诱敌深人的作战方针。”参加这次会议的，还有李井泉、周士第、张宗逊、许光达、彭绍辉。
而就在“离石会议”期间，胡宗南得知陈赓在晋南发动攻势后，立即调集6 个旅（其中包括整编第1 、第90师及原驻晋南之整编第67旅，整编第27师第47旅），在整编第1 军军长董钊率领下，分由临汾、吉县向大宁反扑，企图稳定晋西南战局，再行进攻延安。
针对国民党军的动向，毛泽东根据中央军委副主席彭德怀实地考察的情况，于12月21日指示晋绥、晋冀鲁豫两军区：“发展与坚持吕梁区，吸引胡宗南军作战，是保卫陕甘宁，巩固太行、太岳，并使胡军无法向刘邓处调动的最有效的办法”。为加强对晋南作战的组织领导，毛泽东还指示：第4 纵队、第24旅、独立第4 旅、第359 旅，统归陈赓、王震、谢富治指挥，王为副司令，谢为政委。
12月23日至次年的1 月1 日，陈赓指挥吕梁地区各部向董制率领的6 个旅发起进攻，歼敌一部迫使查部重新撤回临汾、吉县。在此期间，太岳军区为策应正面战场的作战，集中第12旅及第3 、第4 军分区的部队共8 个团，突袭垣曲、翼城，歼国民党军4500多人。
吕梁战役历时1 个多月，歼国民党军1 万多人，达到了粉碎蒋胡对延安进行突然袭击的阴谋，同时还打击了胡宗南的气焰。
此后，陈赓数万大军面临一个严重问题——粮荒。为了解决部队就粮困难问题，陈赓建议毛泽东批准他转兵北上攻打相对比较富裕的晋中汾阳和孝义地区，获得粮食后，再行南下寻歼胡宗南部。毛泽东批准了陈赓的计划。
1947年1 月上旬，陈赓和王震一道率所部北上，组织汾孝战役。计划拟集中兵力先夺取汾孝，调动阎军主力来援，而后集中兵力歼灭援军。其具体部署是：以晋绥军区独立第2 旅及第2 纵队第4 旅进攻孝义；以第4 纵队之第10、第11旅进攻汾阳；第4 纵队之第13旅及独立第24旅负责清扫汾、孝间之敌据点并准备打援；晋绥军区第2 纵队第359 旅为战役预备队。
l 月13日，陈赓谢富治和王震按原计划向汾阳、孝义开进。互月17日晚，汾孝战役打响。担负进攻孝义的晋绥军区部队当夜即攻克阎军2000多人把守的孝义城。担负进攻汾阳城的第4 纵队，刚到城下，外围守军纷纷撤入城内进行固守。
陈赓率部攻克孝义、包围汾阳后，阎锡山异常惊恐，当日亲率他的3 个集团军（9 个师）及保安部队两个总队共计25个团3 万多人，分兵三路，越过汾河，进犯孝义地区。其中，南路孙楚率第34军4 个师，由介休直犯孝义；中路赵承缓率33军2 个师及2 个总队，由平遥直犯汾孝；北路王靖国率第61军3 个师，由文水南下，企图解汾阳之围。
19日，阎锡山发出指令：着三个集团军“组织前敌联合总指挥部，速向当面共军集中兵力攻击而歼灭之。”20日，又指令3 个攻击集团“敌人主力跑到哪里，你们就尾追到哪里”，“有计划歼敌”，“失时者杀无赦”。
面对阎军三路大军同时袭来的情况，陈谢决心放弃围攻汾阳的计划，首先集中优势兵力歼击最强的孙楚一路4 个师，并重新调整了部署：以小部兵力分别牵制其他两路，以主力4 个旅隐蔽集结在孝义及其以南地区。
1 月21日，孙楚开始向孝义东南东盘粮至北窑村一线阵地发起攻击。陈谢主力在连续挫败其进攻后，乘势发起反突击，激战至下午5 时左右，孙楚4 个师全线清退。
陈康当即下令第10旅跟踪穷追。接着第11旅和第359 旅、独4 旅也相继投人追击。汾孝位于晋中平原，地形平坦开阔，孙楚部队都在开阔地上，无处立足抵抗，终于全线崩溃。
战役打响后，陈赓就呆在无线电监听室里，像围歼“天下第一旅”那样，站在报话机前听孙楚和阎锡山的对话，并根据形势变化迅速进行指挥。只听孙楚在很短的时间内就变了三次腔调。开头孙楚说：“我正按计划向前推进，没有发现陈赓和王震的主力部队，只有小股部队袭扰，他可能已经率部逃到南山去了吧。”陈赓在一旁加了一句：“别着急，陈赓马上就到。”
过了不多久，孙楚又向阎锡山报告说：“总座，我先头部队已与陈赓的部队发生激烈交火，我已命令部队全线出击，准备围歼陈赓主力。”陈赓说了声：“周希汉他们与孙楚干上了。”
又过了一会儿，就听到孙楚开始改口了，他以惊慌的口气向阎锡山报告：“陈赓的主力部队上来，……已到我的村边了，我得转移，不能讲话了！……”陈赓又说了句：“这下够孙楚喝一壶的了，周希汉、李成芳、王恩茂他们都上去了。”从此以后，报话机里再未听到孙楚的声音。阎锡山的电台拼命呼叫孙楚电台，再也没回应。
陈赓当即打电话给周希汉旅长，当时周希汉也参加追击去了，陈赓只好告诉第10旅值班参谋：“你转告周希汉，一定要紧追孙楚，活捉孙楚，只要抓到孙楚，就是全胜。”
不多久周希汉从孙楚的指挥所里给陈赓打来电话，说：“没有抓到孙楚，他带了几个人向东逃跑外，我已下令追去了，保证抓活的。”
陈赓问：“派了多少人去追孙楚？”
“两个班！”周希汉回答。
“太少了，怎么不派两个连去追？”陈赓有点急了。周希汉说：“我冲进孙楚的指挥所时，身边只带了一个排。”
陈赓说：“那好吧！等抓住孙楚后立即向我报告。”
又过了一阵，周希汉向陈赓告孙楚逃走的详细情况。
听说孙楚逃跑了，陈赓尽管感到有点遗憾，但还是幽默地对身边的参谋说：“看来是我救了孙楚的命。孙楚离开指挥所就向东跑。跑到文峪河边一座小桥跟前，我们的战士追上了，但我说了要抓活的，于是谁也不愿开枪打。这样就让这个家伙跑了。”
孙楚逃走后，其余部顿时陷入一片混乱之中，东突西逃，遍地乱窜。不知道孙楚生死的阎锡山于22日严令赵承缓、王靖国增援孙楚。为了集中兵力打击赵承缓这一路，暂时放松对东盘粮被围阎军的打击。但在攻击中路敌人的时候，由于地形对进攻不利，解放军在给阎军重大打击后，主动于23日午后撤出战斗。
当天夜晚，东盘粮阎军开始向介休方向突围逃窜。第二天上午，中、北两路阎军开始向东大王村一带集结，经过万户堡向平遥方向撤退。陈赓命令第4 纵队主力乘势分三路展开全面追击，在运动中歼灭敌人。太岳、吕梁部队各旅奋力出击，均有斩获。这时间军阵容混乱，全线溃退。
战至26日，陈赓部又将阎军后卫第71师，暂编第46师截击、包围于中街村。27日、28日两日，陈赓当即以第10旅、第11旅对中街村的阎军发起攻击，予敌重创。但由于我军战斗组织不够严密，各突击队间及火力协同都不够密切，攻击未能奏效。此时阎锡山又调集3 个师由平遥、介休来援，同时还调第70师由汾阳进至乾河村，第66师、第9 总队进至北辛武村。
28日，各路阎军在飞机及阎军留用的日军榴弹炮团掩护下，分路向孙家寨地区解放军阵地发起攻击，企图接应残敌出逃。此战阎锡山还真下了本钱，仅里世村一带就曾落下榴弹炮弹数千发；北辛武村陈康第10旅一个连的阵地上，敌就射来榴弹炮弹1000余发，双方进入激烈的冲击与反冲击的拉锯战中。
陈赓根据当时的情况，考虑到部从已经转战两个多月，再打下去恐对己方不利，遂撤出战场。29下午，中街村被围的阎军，在空中掩护、地面接应下窜往平遥。
至此，“汾孝战役就告结束。此役共歼灭阎锡山部1.1 万人，缴获了大量武器装备（火炮146 门，军车350 辆），同时还得到了部队急需的粮食，达到了战役目的。