为了实现这一战役计划，加深胡军朝绥德方向寻找野战兵团主力的错觉，诱敌深入，彭德怀、习仲勋调整部署：以第二纵队三五九旅一部为主，并抽调少数兵力，配合地方部队，作出主力撤退的假象，节节抗击敌人，并沿途丢弃一些符号、衣物等军用物资，吸引敌军加快北进。
董钊、刘戡部被调动后，即以纵横几十里的行军方阵向北开进。习仲勋曾撰文回忆说：“蟠龙镇战斗之前，敌主力部队摆成长宽几十里的方阵，铺天盖地向北扑去。而我野战军指挥机关就驻扎在这方阵当中一个小山沟里。我们周围山头四面八方都有狂呼乱叫的敌人，大家都很紧张，人人持枪在手。侦察员和参谋们不断送来十万火急的报告，我焦灼地在窑dòng里来回走动。而彭总却若无其事地躺在我身边的炕上，聚jīng会神地思考着马上就要进行的战斗如何打。敌人刚从头顶上过去，他立刻跳下炕去，说敌人向北，咱们向南，各办各的事噢!率领我们向蟠龙镇扑去。”习仲勋还在另一篇文章中写道：为了攻打蟠龙，我三五九旅诱敌北进绥德。董钊、刘戡率领的九个半旅排成纵横几十里的方阵，从我军隐蔽集结的地区通过。当时西野指挥机关就驻在一个叫新庄的小山村，敌人在山脚像放羊似的搜索前进了三四个小时，却丝毫没有察觉。
恰在此时，平时gān旱少雨的陕北下起雨来，泥泞不堪的道路致敌行军困难，一直走了七天才到绥德。董钊、刘戡自以得计，给胡宗南发报说：共军溃不成军，我全部兵力南北夹击，一举歼灭之。
当北调后的胡宗南集团主力得意忘形之时，他们未曾料到，其蟠龙补给地已成了一孤点。彭德怀、习仲勋指挥经过休整补充的西北野战兵团主力已bī近蟠龙。彭德怀、习仲勋分析认为：蟠龙镇战斗与青化砭、羊马河两仗有很大不同，前两仗是伏击战，是捡了两块肥肉，而此役则是一次攻坚战，犹如啃骨头，难度较大，而且时间紧，必须抢在敌军主力可能回援的时间内结束战斗。
这时，装备jīng良、防御严密的蟠龙守军在其主力北上后，又冒雨加修工事，调整部署，加紧防御准备。情况表明，即将进行的将是一场硬仗。
二十九日二十时，彭德怀、习仲勋发出围歼蟠龙之敌的作战命令：以第一纵队由核桃坪、孙家台线南高地自西向东攻击蟠龙镇、窑坪线之敌;第二纵队之独四旅由向家峁子、郭家庄之线向北攻击蟠龙线之敌，教导旅主力位于青化砭以北地区机动，一部肃清青化砭及其以南之反动组织，彻底破坏青化砭南北公路;新四旅由谢家嘴、刘家坪向纸坊坪、蟠龙线之敌攻击。三十日上午，彭德怀、习仲勋同张文舟带纵、旅指挥员到蟠龙东北高地察看地形、掌握敌情，午后在薛家沟附近具体区分了攻击区域和任务。
三十日，西北野战兵团以迅雷不及掩耳之势包围了蟠龙镇，并完成了进攻准备，决心于五月一日发起攻击。然而就在这时，毛泽东为中央军委起草致彭德怀、习仲勋电，提出：“经过jīng密之侦察，确有把握，方可下决心攻击瓦窑堡或蟠龙，如无充分把握，以不打为宜，部队加紧休整，以逸待劳”。毛泽东在蟠龙镇战斗即将打响之前提出了一个足以改变战役决心的意见，是打还是不打，自然引起了彭德怀和习仲勋的高度重视。他们在对敌情分析判断、地形地物勘察了解、兵力的部署以及采用的战术技术等各个环节反复研究后，仍坚持战役决心不变。
此时，天气骤变，突下大雨，整日无停，部队行动不便，攻击计划推迟。五月一日九时，彭德怀、习仲勋致电中央军委：“原准备一日拂晓攻击蟠龙，因天雨路滑停止，待雨停后二日攻击。胡军为避免消灭，现工事技能已达最高点;清瓦以南至延川所有山头村庄，均有相当qiáng固野战工事;蟠龙工事已完成外壕、鹿砦、铁丝网，平毁甚不易。该军所到之处，木器木板大部烧光，牲畜杀光，一切工具均损坏，壮丁抓走亦不少，与日本‘三光’政策同。人民损失五年难以恢复。”
二日，正是北犯的国民党军占据绥德之时，天气转晴。huáng昏时分，西北野战兵团作战部队首先扫除了周围一些小据点，迫近主阵地，接着发起冲击，并迅速向前发展。于三日拂晓前，夺取了第一线阵地，俘虏保安队六百余人，击落敌机一架。但由于野战兵团缺少攻坚火pào，而靠土工作业和爆破来摧毁敌坚固的工事，在发起总攻后，外壕未能通过，几次攻击亦难以奏效。时任第一纵队政治委员的廖汉生回忆说：“敌主阵地为高大的核心堡或土寨子，我军攻坚缺少重pào，只能靠人工把粉状炸药装入gān粮袋捣实，在敌军火力扫she下进行对壕作业，一步步贴近敌碉堡，再把炸药袋挂到碉堡上爆破。战士们称之为‘膏药战术’。”由此可见蟠龙镇这块骨头的坚硬程度。
时刻关注瞬息万变战场形势的彭德怀、习仲勋见状后，即下令停止攻击，并于三日九时致电纵队首长和中央军委：“已令二纵、新四旅各一部巩固已得阵地，进行土工近迫作业，破坏敌外壕、鹿砦，我山pào与迫pào转移至阵前最近距离，准备猛烈she击(注意使用迫pào)，主力在适当地点休息，开十分钟连排班gān部会、班的战士会，讨论如何夺取主要阵地。”一个颇具特色的“火线诸葛亮会”在各个阵地召开。这是彭德怀、习仲勋在战斗间隙实行军事民主的一个创造。广大指战员提出了利用外壕作业bī近铁丝网和敌堡、以爆破扫除障碍开辟冲锋通路、攻击部队轮番佯攻消耗敌人火力等建议。当日下午，我攻击部队迅速消灭了集玉峁守敌，即以集玉峁之制高点为依托，向蟠龙以东敌团指挥所和pào兵阵地攻击。彭德怀、习仲勋要求各纵、旅，要坚决围歼逃跑之敌，必须堵击、截击、追击，务求彻底消灭，不使一人漏网。十五时，彭德怀、习仲勋致电毛泽东：“今拂晓攻击，敌保安队守备第一线，我攻占第一线后，即已天明，故停止攻击，共俘保安队六百余人，我主力均已接近敌阵地，伤亡甚小，本日huáng昏后决心再攻。”
四日上午，独立旅攻击部队完成对壕作业后，十二时发起冲击，突破铁丝网，十六时将敌大部消灭，完全占领了蟠龙东山敌军阵地。第一纵队攻击部队攻占蟠龙北山，随后堵击歼灭了向西方向突围之敌一千余人;第一纵队二、八团拔掉了敌军磨盘山据点，从南面打开了攻击蟠龙的大门。huáng昏后，各攻击部队从四面居高临下向蟠龙镇敌人发起猛攻，战至二十四时，蟠龙镇攻坚战胜利结束。全歼一六七旅六千七百余人，俘少将旅长李昆岗，缴获军服四万套，面粉一万余袋，子弹百万余发，以及大量药品，给西北野战兵团以很大补充。五日，彭德怀、习仲勋即电报中央军委：蟠龙镇(延安以北八十里)战斗自二日晚起，克服敌qiáng大纵深堡垒、无数层铁丝网、布满地雷、深宽一丈五尺外壕的防御，至五日三时全部解决。中央军委接电后，即将蟠龙战况通报给朱德、刘少奇、叶剑英、杨尚昆和全国各战略区首长。几天后，当如梦初醒的胡宗南调集疲惫不堪的主力放弃绥德回援蟠龙之时，镇子已是空无一人。新华社记者在《评蟠龙大捷》一文中写了一首打油诗，辛辣地讽刺了胡宗南军连吃败仗的情景：胡蛮胡蛮不中用，延榆公路打不通，丢了蟠龙丢绥德，一趟游行两头空，官兵六千当俘虏，九个半旅像狗熊，害得榆林邓宝珊，不上不下半空中。