机会来了，**率领在张家湾两侧伺机的红三军团、红四军团，分南、北两个方向包抄过来，在张家湾镇，红三军团一部抢先攻占，切断了106师的退路，接着红三军团由西、北两个方向，红四军团由正南方向实施包抄。担任阻击的第五军团一部汇合红一军团增援上来的主力，由东侧，把106师团团的包围在张家湾镇和直罗镇之间的积水侍。
此时位于太白镇的五十七军指挥部，军长董英斌闻讯大急，他火速命令撤退的108师回身救援106师，可是在太白镇遭到红三军团一部的有力阻击。本身108师就是惊弓之鸟，进攻几次无果，便停止不前，坦率说也不可能玩命救援。
次日临晨战斗打响，四面八方开始了全线总攻。本身积水侍就无险可守，再加上军无斗志，战斗进行到中午，106师大部被歼，该师长在毫无希望的情况下，这好选择放下武器投降。在张家湾镇受阻的108师闻讯106师全军覆没，便仓皇而逃。在张家湾镇担任阻击的红军部队，趁机追击，在追击过程中，居然消灭了敌军一个营。
直罗镇大捷，事后经过统计，消灭敌人两个师又一个营，共13000余人，击毙109师师长，俘虏106师长的伟大胜利，同时也粉碎了第三次围剿。直罗镇战役结束后，五十七军军长董宜斌率领111师、108师在太白镇仓皇南逃。而117师王以哲部也迅速由富县撤往洛川，精心策划的第三次重兵围剿，以失败而告终。
战后为了顾全大局，为了团结广大东北军官兵一致对外，尽快形成民族统一战线的格局。主席高瞻远瞩的下令，全部释放在直罗镇战役被俘东北军官兵。直罗镇战役结束后，张学良十分郁闷，为了向老蒋交差下令撤了董宜斌军长的职务。
一仗下来就损失了两个师，尽管两个师不是齐装满员，但是毕竟是心头肉，由此在东北军官兵内引起了不满情绪，尤其是被俘的官兵被释放后，这种情绪愈演愈烈。老蒋并没有过分责备张学良，反而对张学良进行安抚。
本来东北军的口碑就不好，这次又对红军作战，张学良及属下又成为被舆论攻击的对象。这天在西安剿总司令部，张学良手里捧着报纸没有看完，便郁闷的扔在一边。这时副官进来报告：“报告少帅，杨虎城将军求见！”张学良一愣，马上吩咐请客人进来。
双方寒暄了几句，杨虎城见张学良神色郁闷说：“张将军，现在国难当头，我们不能再自相残杀了，别说你的部下，即使我的部下他们也厌战和红军作战。共党提出联合抗日的主张，很得民心，我们必须认真对待。”
见张学良沉默不语，杨虎城接说：“张将军，你看看我们周边那个愿意和红军作战，远的不说，山西晋军那位穆司令，其强大的军事实力都按兵不动，就连宝鸡的王德彪都躲到青海去了，而我们却被负骂名，两败俱伤谁最后是赢家。”张学良若有所思。至此，张学良和杨虎城走到一起，并为一年后的西安事变埋下伏笔。
山西太原晋军司令部，穆亚平手里拿着陕甘根据地红军总部发表的告东北军全体官兵书说：“红军这一仗打得太漂亮了，不仅军事上取得了决定性的胜利，也在政治上充分瓦解了东北军的斗志，今后老蒋若想再向陕甘发动大规模的进攻已经不可能了，这是中央红军到达陕北的奠基之战。”
傅作义笑说：“这不正是你所期待的结果吗？共党在陕甘立足、壮大，对于一致对外，形成抗日的大局，无疑起到了推动作用，下一步你有什么打算？”穆亚平笑说：“我们静观其变吧！既不能公开站在共党的立场上，同时还要和共党保持密切的联系。下一步的变局就看张学良的了，说不定能给我们意外的惊喜。”
直罗镇战役结束后，红军总部开始把眼光瞄向山西，其巨大的诱惑力任谁都不可能熟视无睹。
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