至于牛元峰为什么敢于自请打前阵，并不是他真有多大把握，实际是他看到由直罗镇到鄜县的路上，随时都有与红军遭遇接触的可能，但如果一〇九师先打下直罗镇，那么下一步的张村驿、鄜县等地，就不能再轮到他的身上了。
他有个判断，那就是直罗镇不是红军攻击的重点，而张村驿却可能是红军主力所在，于是就来个避重就轻，既显示出自己的军事能力，又能保存实力，何乐不为呢。
为加强先头部队，买牛元峰的好，董英斌又调拨于一凡六三二团临时配属一〇九师作战。
直罗镇是由甘肃合水通向陕西鄜县道路上一个较大的村镇，位于葫芦河南岸，居民约二百户，南北有连绵的土山对峙，中间系一条窄长的河谷，最宽处不超过二百米，窄处只有二三十米，河水流量不大，冬季更浅。
直罗镇战役纪念馆
山势并不险峻，但是道路高低不平，极为难走，车辆跟本不能通过，步兵和骡马辎重，只能摆成一字长蛇阵，婉蜒行进，拿牛元峰的话来说那就是“蛇钻细管”。
而在此之前，毛主席在直罗镇以东的张村驿主持召开了军事会议，出席会议的有周恩来、彭德怀、叶剑英、聂荣臻、林彪、徐海东、程子华、朱理治等。
毛主席在会上作了关于目前战略方针的报告，进一步对直罗镇将要开展的战役进行了详细部署。会后，各级党政军民迅速落实。
彭德怀司令员会后带领红军团以上干部，亲赴直罗镇勘察地形，测绘作战地图，分配战斗任务。聂荣臻、徐海东、程子华、叶剑英、左权、陈赓、彭雪枫等也都一同骑马前往。
国民党方面，在太白镇会议结束后，五十七军开始行动，牛元峰的一〇九师走在最前，后边依次为一一一师、一〇八师，一〇六师及一二〇师。
国民党部队要一面走一面修路，影响了行军速度。到达黑水寺时，董英斌又召集了一次会议，约定在一〇九师占领直罗镇后，牛元峰应立即回军部和董研究下一步的行动。
于是，一〇九师由黑水寺出发，并作好战斗部署，以葫芦河为作战地域，由石世安指挥六二六团沿葫芦河北岸战斗前进；郑维藩指挥六二七团沿葫芦河南岸战斗前进，临时配属的于一凡六三二团，位于六二七团的右侧方，为右侧翼支队，任务是掩护六二七团的作战，师部及六二五团殿后。
为了调动敌人，红军指挥部命令红十五军团第八十一师的一个团加骑兵营，佯装连续围甘泉县城的东北军以迷惑敌人，催促救援部队迅速前进。同时在直罗镇一带派出地方游击队和小股武装四处活动袭扰，诱敌进入伏击圈。
徐海东
拂晓时分，牛元峰的一〇九师开始战斗前进，沿途开始有连续不断的零星战斗，但是并不激烈，大约在正午以前，战斗结束。
牛元峰手下的六百二十六、六二七两个团先后进入直罗镇两侧高地和直罗镇齐头地点停止，向东进行警戒。
按黑水寺国民党方面的军事会议决定，牛元峰的一〇九师占领直罗镇后，应该回到军部向军长报告战斗经过情况并研究下一步的行动。
但牛并没有这样做，是否看不起董英斌，还是认为胜算在握，就不得而知了。
牛元峰先叫参谋拟电向总部和军部报捷，说他已占领了直罗镇，接着又命令于一凡这个团归还原建制。
随后牛元峰带领一些亲信幕僚兴高采烈地徒步走了几里，后来又改为骑马，耀武扬威以胜利之师的姿态开进到直罗镇内。
牛元峰到镇内命令六二六、六二七两团在原地作好警戒，六二五团为预备队，驻守直罗镇内。
因为牛元峰从根本上轻视红军，并没有指示各团构筑工事。此时直罗镇内到处贴着花红纸的标语，如“中国人不打中国人”、“你们的敌人是日本鬼子”、“我们帮你们打回老家去”等等。
标语是新贴的，浆糊都还没干。镇内却看不见一个红军，老百姓也走得干干净净。在零星战斗间东北军抓到了一些人，经过详细审讯，这些人哪里是红军，原来都是一一〇师(师长何立中)被红军俘去的士兵。
毛主席指挥直罗镇战役时住过的窑洞
至于为什么又放回来，没有人过问。因为一O九师全员官兵连走带打快一整天了，已是疲惫之极，饥渴难耐，于是又把老一套办法拿出来，大家分头到各地搜索，有的找到一些米面，有的找些鸡、鸭、小猪等牲畜。
官兵马上高兴起来，觉得到西北以来，一直没有吃到好的，这回可以解解馋了，好好犒劳一下，他们吃的心满意足，尔后开始大睡，疏于戒备。
当晚，即被红军包围，直罗镇的国民党兵仍无察觉。
毛泽东和彭德怀得知国民党一O九师已进入直罗镇后，便立即下达作战命令，红一军团与红十五军团分别沿葫芦河川两侧山岭，进入预定阵地，直罗镇南北山上布满了红军。
鄜县游击队共五百多人也配合红军主力进入阵地。
毛泽东、周恩来、彭德怀都亲临前线指挥。毛泽东的指挥所设在直罗镇东北方向的吴家台高地。
这里居高临下，可一览直罗镇全貌。战斗打响以后，毛泽东一再指示各路红军：“要的是歼灭战”。
到了早晨四五点钟，直罗镇南北山上，突然步枪、机关枪枪声大作！
红军按预定作战方案，全线发起攻击。红一军团从正北和西北方向，进攻直罗镇北山，断敌退路；红十五军团从西南、正南和东南三个方向，进攻直罗镇南山及东南地区，阻敌东逃。
而国民党一O九师师部人员在睡梦中被枪炮声惊醒，他们推断红军是由两侧进行攻击。
牛元峰慌忙向军部打电话，可是已经打不通了，负责外围警戒的两个团的战斗情况也没有人来报告，双方火力甚为猛烈，接着断断续续的子弹已经打到直罗镇内。
东北军投降士兵事后回忆，战斗一开始，红军就从后面包围上来，抵抗的、死于枪火之下的很多，集体缴枪的也不少。
六二六团团长石世安，见大势已去，开枪自尽，六二七团团长郑维藩伤重而死。
正在断断续续枪声未完全停止时，时间还不到正午，牛元峰叫副官带师部人数已不多的幕僚、马匹和驮子向直罗镇北找撤退的出路。
这批人、马、驮子刚刚走到半山腰，立即被红军发现，由山头和山下两面卡住，师部大部分人、马、驮子全数为红军俘获。
此时的牛元峰带着师部的幕僚和少数战斗兵转向直罗镇南面山上，他看到红军左一面红旗，右一面红旗在山上飘扬。
红军还没有打枪，一见到红旗，就把牛元峰带的人赶得七零八落，简直像是一群没头苍蝇到处乱窜。
最后这伙人退到镇子南面一个小高地上土围子里落脚。
这个土围子距直罗镇最近，地势也最高。牛元峰带一些人登上这个土围子，看到围墙似乎新被拆除，残垣断壁，纵横交错，两间窑洞也都被破坏，但还可以避避流弹。
原来，红军方面为防止国民党军队利用这个寨子固守，红十五军团战斗前已派一营部队连夜拆除了寨子围墙。
由这个土围子向四下望去，各处均在眼底，当年修筑土围子的用意，也是着眼于军事。
牛元峰手下未被俘的残兵败将，陆续也都来到土围子里。作为预备队的六二五团，守不住直罗镇，也上了土围子，大家总算能在这里得了一下喘息。
约摸到下午两三点钟，忽然听到四面枪声大作，这时抬头看到一架飞机在土围子上空盘旋，牛元峰等人看到了一线希望！
