就在彭德怀调兵保护中共首脑机关的17日，钟松将36师分成两个梯队由镇川堡向乌龙铺急驰，刘戡主力也进到吉镇以南地区，即将在乌龙铺与钟松会合，将我党中央夹在当中，就像两块大石头中间的一条缝。已经可以清楚地听到枪声。彭德怀判断，刚愎自用的钟松必会经沙家店地区向东，必须在钟松与刘戡会合前，在运动中消灭钟松，只有这样才能保障毛泽东和中央的安全。
这边，刘戡和钟松两支大军愈加靠拢，那边，毛泽东带领“九支队”从容出发。中央警备团大部留在山上，准备阻击敌人。可是，山洪瀑发，奔腾的佳芦河拦住了“九支队”的去路。在这万分危急的关头，周恩来、任弼时亲自指挥部队和老乡们架设浮桥。毛泽东若无其事地坐在河边一块大石头上，拿着铅笔专心致志地批阅电报。
木桥架好了，为安全起见，周恩来在桥上来回走了两趟，才请毛泽东过河。可是毛泽东却要机要人员把电台、文件先运过河，他这才从容地走过桥去。
人刚过河不久，雷雨大作，桥被洪水冲垮，“九支队”在大雨中行军，在电闪雷鸣中默默前进。傍晚时分到达佳县杨家园，为山洪所阻，即在此宿营。
8 月18日3 时30分，彭德怀下达歼灭钟松36师的命令，命令3 纵队一部兵力吸引钟松，主力抗击刘戡部，阻其与钟松会合，而集中1 、2 两个纵队和新4 旅、教导旅对付36师的两个梯队。
当天上午，野战军主力与钟松部交锋，因天降大雨，敌后梯队仓惶撤至沙家店地区。这正是彭德怀所希望看到的。
可是，当晚彭德怀收到中央军委的电报，得知由于佳芦河水涨，难以渡河，毛泽东等无法向北转移，只好转为向西北方向冒雨前行，几乎陷于绝境。彭德怀看完电报急得满头大汗。他用手指在地图上比量着刘戡、钟松两路敌人的距离，紧锁眉头，板着脸一言不发，对着地图沉思，坐立不安，眼睛红肿。他命令继续严密监视敌人，一有情况，立即报告。
钟松被打后，急忙向刘戡求援，而刘戡借口没有胡宗南的命令不能出动，在一旁袖手旁观，钟松只好命令部队在沙家店附近高地构筑工事，坚守待援。这时，钟松发现西北野战军主力并未渡河，且就在他部队的附近，于是急电其前梯队123 旅回撤沙家店。
彭德怀分析两部敌军态势，判断敌军并未摸到西北野战军意图，决心仍先行歼灭第36师。同时，适当调整了部署，以新4 旅阻击回援之敌。
19日上午，毛泽东率“九支队”离开杨家园，于中午到达佳县城西北的梁家岔，与野战军主力会合，从而结束了长达19天的长途艰险行军。就在这里，迎来了沙家店大捷。
当晚21时半，毛泽东电告彭德怀：“我们20日在梁家岔（梁家岔在柏树坞北三十里、槐树湾南十里）休息不动。”
毛泽东与彭德怀之间随即架通了电话。
8 月19日晚11时，彭德怀电报中央军委和毛泽东：“拟明号（天）拂晓包围沙家店附近敌之两侧而歼灭之。得手后逐次向东北各个歼击之。”由于不能到中央驻地去，请中央转移到离梁家岔20里的刘全塌，以靠近主力。
20日3 时，毛泽东复电彭德怀：“完全同意你对三十六师的作战计划。”“据区政府报告，刘全塌西北15里之刘庄有小股敌人，因此今天在梁家岔不动，如该敌向梁家岔前进，我们拟向槐树湾方向转移。”由此可见，中共中央、毛泽东的处境是何等险恶。尽管彭德怀主力已经在沙家店附近将钟松36师分割包围，但刘戡主力近在咫尺，敌人两支人马加在一起共有十万大军，而我军只有8 个旅共3 万多人，这一仗能不能打赢，还要作两手准备。因此，毛泽东下令，各大队轻装，备好七天干粮，把文件烧毁，随时准备向西突围。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。”
这是一天前毛泽东与周恩来共同筹划好的。当时，毛泽东对周恩来说：“钟松自以为援榆有功，头脑发昏。他远离主力孤军冒进，一到镇川堡，就分兵两路，派123 旅东进乌龙铺，他奔沙家店，企图与刘戡会合。他这样东西摆成一字长蛇阵，正好给我军创造了歼敌机会。”两人商定，就在沙家店设伏歼灭敌36师，并作了具体部署，只是由于电话还没有架通，只好派人直送彭德怀处。
毛泽东、周恩来与彭德怀在两地同时制订出这一方案，真是不谋而合。在此之前，毛泽东曾亲临前线和彭德怀一起研究作战部署。那是19日傍晚，中央机关到达梁家岔，这里到野战军指挥部不过10公里，距主战场沙家店只有20多公里。对于毛泽东、彭德怀来说，这场战斗太重要了，我军处境万分艰险，稍有不慎，就可能全军覆没。他要亲自到前线去看一看。毛泽东来到西北野战军彭德怀的指挥部，挥动着他那双有力的大手，对着彭德怀说：“眼前陕北的处境，就像我们常说的过‘山’一样，快爬到山上时，千万不敢松劲，要咬紧牙关，一鼓作气爬上去。过了山，往后的路子就好走了。”
研究完作战方案，彭德怀把毛泽东送到门外，再三请主席注意安全。毛泽东笑着说：“你们仗打好了，我就安全；你们仗打不好，我就不安全。”
8 月20日拂晓，彭德怀下令发起总攻击。激战一天，歼敌整编36师师部及两个旅共M 余人，活捉敌少将旅长刘学奇。听到这一喜讯，毛泽东、周恩来、任弼时等欣喜万分，毛泽东当场挥毫重写了他在1935年10月书赠彭德怀的诗句：谁敢横刀立马？唯我彭大将军！