上午9时许，与红军先头部队一个连相遇，双方开火仅一回合，红军连便回头就跑，主动撤离阵地，牛部不知是诱敌之计，企图乘胜追击，扩大战果，于是一步步迈入红军设下的陷阱。
20日夜，中央红军从北向南，红15军团从南向北，向直罗镇两侧的山岭集结，将109师层层包围起来。
21日拂晓，两路红军犹如两只铁拳，从直罗镇南北两侧的高山上砸了下去，炮火猛烈，动作迅猛，声势浩大，杀声震天，整条山谷恰似天塌地陷。
原本感觉良好的国民党官兵被这突如其来的枪炮声给震懵了，他们原以为红军虽然英勇善战，但那是在南方。如今他们远道而来，肯定是人疲马乏，不堪一击。更何况昨日刚一交手，红军掉头便跑，这更增加了他们的傲气。万没有想到，这不过是红军的诱敌深入之计，如今万人挤在一条狭小的山川里，既无险可守，又无阵地可踞，处于被动挨打的绝境，顿时军心大乱，兵无斗志，北边的枪一响，他们就向南跑，南边的枪一响，他们又调回头来向北逃，犹如一群惊了窝的绵羊，乱跑乱窜。
牛元峰见形势不妙，立刻指挥自己的一队亲兵，冒着弹雨和炮火，窜到镇东头的小寨里，利用这儿的围墙负隅抵抗。
109师曾多次同红军交过手，不少官兵曾当过红军的俘虏，知道红军的抗日和优待政策，因此当红军炮火一响，他们并不忙着还击，而是就近找一避身之地先躲起来，当炮火渐稀红军冲下山来时，便纷纷交械投降，争取宽大。
战斗进行了不到两个小时，109师就被解决了，只剩下牛元峰率领一营亲兵，还在小寨子里坚守。
这个小寨子当初红军指挥员看地形时本已看过，而且估计到敌人有可能利用，因此在作战之前已派人将主要建筑物拆除，然而由于战前人们对这儿重视不够，对一些石墙拆除不彻底，结果牛元峰占领后，稍加修整，便成了一个坚固的堡垒，红军多次冲锋，都未攻克。
红15军团长徐海东立刻把军团炮兵连调过来，对小寨进行集火射击。当时的15军团炮兵连名曰一个连，其实只有两门炮，一门平射炮，一门迫击炮，在这样地形较复杂的山地战中压制目标，其实还是迫击炮的威力更大些，无奈全军团只有4发迫击炮炮弹，平射炮的炮弹倒有好几十发，没办法，徐海东只好命令迫击炮相机发炮，摧毁敌寨的主要任务交给了平射炮。
说实话，在平原作战中，平射炮的威力是不可小视的，可打对面山头上的火力点，平射炮威力难以发挥了。炮兵连的官兵们接受任务后，仔细观察了小寨的地形特点，对红军冲击时威胁较大的几个主要火力点，进行了具体地测量和标定。
新的一轮进攻又开始了，这一次炮兵的平射炮较好地发挥了作用，它用准确的射击，为步兵开辟出一条胜利的通道。
敌人苦心经营的火力点随着一声声炮火的轰鸣，变成了一堆堆残垣断墙，敌人只能蜷缩成一团，最后收缩在小寨中心的一两个掩体里。
牛元峰此刻已是灰头土脸，肥胖的草黄呢军衣上沾满了泥土，且被飞迸的弹火烧得斑斑点点尽是焦洞。
“报务员，给我叫106师，我要同董英斌讲话，让他拼命向我们靠拢，伸出手来拉我们一把……”牛元峰对着报务员暴怒地喊。
报务员一遍遍地呼叫着，许久，报务员才摘下耳机，惶恐地对牛师长说：“和106通上话了，董师长说，他们也遭到了共军的阻击，全师受到重创，在黑水寺损失一个整团，现在他们实在没有力量再往前冲击了……”
“他妈的，饭桶，都是饭桶……”牛元峰一迭声地大骂之后，颓然坐在冰凉的石板上。
“怎么办？”守候在牛师长身边的几位军官绝望地看着他。
官兵们发现，两天前，这位声言要踏平陕北，一举剿灭共军的不可一世的师长，此刻似一条丧家之犬，满脸懊丧。
是夜，牛元峰率众悄悄摸下了山，妄图趁人不备溜出红军的包围圈。然而他们刚刚冲出第一道警戒线，黑夜里顿时亮起了无数的火把。
山上有人大呼：“牛胖子跑了，快追呀！”
山下有人高喊：“放心吧，牛跑不了，我们一定把牛牵回来。”
牛元峰一口气跑了25里山路，当他跑到直罗镇西南的一个山头上时，实在跑不动了，只得蹲在地上大口大口地喘粗气。
红军75师的一个班追了过来，大声喝道：“举起手来，缴枪不杀！”牛元峰肥嘟嘟的两臂举了起来，可腰身还在一躬一躬地大喘粗气。
此役，红军共俘敌5300余人，缴获迫击炮6门，一大批枪支弹药，红1军团和15军团的炮兵连都得到了加强。
直罗镇战役，证明了毛泽东打歼灭战军事思想的正确，全歼牛元峰师和董英斌一个团后，彻底打乱了蒋介石进攻陕北的部署，迫使敌108师和111师不得不退回甘肃境内，东路入侵的杨泉源师也不得不连夜遁逃。这一战役，真正为红军扎根陕北，举行了一个颇为精彩的奠基礼。
1936年10月9日，红4方面军总指挥部到达会宁。10月22日，红2方面军总指挥部到达将台堡，先后与红1方面军胜利会师。至此，三大主力红军结束了具有伟大历史意义的长征。
至此，红军炮兵有了较大发展，主要兵力如下：
红军总部特务团炮兵连；
红1方面军有两个炮兵连和一个炮兵排，即第1军团炮兵连、第15军团炮兵连、第28军迫击炮排；
红2方面军有山炮五门，迫击炮数门；
红4方面军有两个炮兵连及五个炮兵排，即第30军迫击炮连，第31军迫击炮连，第31军91师276团和277团迫击炮排，第93师第21团、24团、279团迫击炮排。
此外，中央军委后方办事处还有三个独立炮兵排，即第29军迫击炮排、第30军迫击炮排、陕甘宁独立第1师迫击炮排。
三大主力会师后，红军的炮兵应该说还很弱，总共不过10个炮兵连，大小火炮不到100门。
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