红军三大主力会师，造成了横跨黄河两岸发展，接通苏联，雄峙西北的战略态势，对国民党在西北地区的统治造成严重的威胁。一心灭共的蒋介石感到十分震惊，他急令胡宗南、毛炳文、王均等部共十几个师的兵力向北大举进攻，企图乘红军立足未稳、正从会宁地区北移时，将红军歼灭于黄河以东的甘肃、宁夏边境地区，他把这个计划称为“通渭会战”。
中革军委根据敌我态势，于10月11日发布《十月份作战纲领》，对夺取宁夏的各项准备和各部任务作了具体部署。其要点如下：红一方面军主力应逐次转移到同心城地区休整，红28、红29军集中于定边、盐池，以一部逼近灵武，侦察宁夏情况。红二方面军进至静宁、隆德线以北地区休整，并威胁胡宗南部侧翼，迟滞其西进，尔后准备以主力或一部接替红一方面军在固原北部的防务;红四方面军要以一个军进至靖远、中卫地段，取得攻击中卫与定远营的渡河点，11月10日前完成渡河准备;主力在靖远、会宁地区筹粮、休整，迟滞敌人前进时间，尽可能在10月份前保持西兰大道于我手中。从11月中旬起，以红一方面军主力和红四方面军的3个军，进攻宁夏;以红四方面军的另两个军、红二方面军全部和陕甘宁独立师，组成向南防御部队，必要时抽一部参加进攻宁夏。
中共中央决定，在三大主力红军会合后，为团结对敌、统一作战指挥起见，由朱德、张国焘分别以总司令、总政委名义，根据中共中央、中央军委的命令，组织指挥3个方面军的前线作战事宜。
10月20日，国民党军近20个师兵分四路沿兰州、陇西、秦安、固原的弧线，向红军展开全线进攻。22日，蒋介石亲赴西安督战。至23日，敌毛炳文、王均两路相继攻占红军控制的通渭、马营、华家岭、会宁等要地，胡宗南部进到静宁地区，向红军展开追击。红四方面军第4、第5、第31军等部英勇作战，顽强抗击，担任主要任务的第5军受到较大损失，副军长罗南辉壮烈牺牲。
宁夏战役计划还未实施，西北战场的形势就对红军越来越不利。中革军委决定红军各部队采取逐次转移、诱敌深入，伺机打击胡宗南部的方针，在西兰大道以北、海(原)靖(远)线以南地区，坚壁清野，构筑防御阵地，准备在该地区与北进之敌进行决战。10月23日，朱德、张国焘率领红军总部到达打拉池，同先期赶到的彭德怀会晤。在共同商定作战计划后，命令红四方面军部队开始西渡黄河。
10月25日凌晨，红四方面军第30军由靖远附近四渡黄河成功，控制了河西一片土地。26日，红9军过河。接着，红四方面军总指挥部也渡过了黄河。这时，国民党军胡宗南等部在飞机掩护下向红军阵地猛扑，已先后占领会宁、通渭、静宁等地，向打拉池进逼。朱德、张国焘根据中革军委的指示，决定将作战重点置于击破南面进攻之敌，红四方面军除已渡河部队外，其余各部停止过河。朱德、张国焘的作战部署，得到中共中央及中革军委的批准。为阻止南敌追击并加强对各部红军的统一指挥，中革军委于10月28日任命彭德怀为前敌总指挥兼政治委员，刘伯承为参谋长，准备组织海(原)打(拉池)战役，重点打击蒋介石嫡系胡宗南部。
10月30日7时，彭德怀根据中革军委的指示，下达了海打战役计划，规定红一方面军主力六个师集结于古西安州、麻春堡、陈家湾地区，红四方面军第31军集结于打拉池以东干盐池地域，以上两部为突击集团，准备从东西两面求歼胡宗南先头的一两个师。第4、第5军主力集中于郭城驿、靖远、打拉池之间占领地，钳制毛炳文、王均两敌，保障红军突击集团右翼安全;红二方面军主力转移到海原以北、西北地域，保障突击集团的左翼安全。
海打战役计划，是红军为击破胡宗南部而部署的一场关键性战役。然而，张国焘却命令红4军撤至贺家集、兴仁堡，第31军撤至同心城、王家团庄，加之红5军已经于28日西渡黄河，致使进到古西安州、麻春堡、海原城北之龙池湾地区的红一、红二方面军等部队侧翼暴露，海打战役的计划未能实现。这对阻滞国民党军北上、重新恢复河东河西红军部队的联系，产生了严重的不利影响。
10月31日，蒋介石发布了对红军总攻击令。国民党军进至靖远、打拉池、中卫等地，打通了增援宁夏的通路，并隔断了红一、红二方面军等部与河西红四方面军主力的联系。根据情况的变化，11月8日，中共中央被迫决定放弃夺取宁夏的战略计划，同时提出了一个新的战略计划设想，其主要内容为：三个方面军主力11月份在关桥堡至金桥、灵武之间作战，求得在一两个战役下消灭敌之一部，争取休息与准备，以示红军欲渡黄河，引敌北进。12月上旬以后，红一方面军主力、红二方面军组成南路军，红四方面军第4、第31军组成北路军，分别经陇东进陕西，于适当时机再渡河入晋，寻求直接对日作战，或在晋、冀、鲁、豫、皖、鄂、陕、甘等省机动作战，扩大党的政治影响，扩大红军，争取同南京政府订立共同的抗日协定。计划还确定，由徐向前、陈昌浩指挥已过黄河的红30、红9、红5军组成西路军，在河西创立根据地，以直接打通苏联为任务，准备以一年完成之。据此，西路军挺进河西走廊，在极端困难的条件下孤军奋战，歼敌两万，策应了河东红军的行动，但由于敌我众寡悬殊，终于翌年3月失败，大部分红军指战员悲壮地牺牲。
按照新的战略计划，红军主力于11月12日开始由同心城、王家团庄、李家堡之线东移。至15日，红一方面军主力移至豫旺堡以东山区;红二方面军移到环县及其西南地区;红四方面军第4、第31军移到豫旺县城以东的萌城、甜水堡地区。此时，国民党军毛炳文部正准备西渡黄河追击红军西路军;同红军有统战关系的东北军王以哲部前进缓慢;曾万钟第3军(王均已死，曾为代军长)在进到同心城后停止前进;唯有胡宗南之第1军行动积极，孤军冒进，分三路向豫旺县城进攻。这就为红军歼击该敌提供了有利时机。
中革军委根据敌情和红军前敌总指挥部的建议，于11月14日和15日接连下达指示，指出：“敌既继续向我进攻，目前中心是打破敌之进攻，然后才能开展局面，才有利于统一战线。否则敌以我为可欺，不但局面不能开展，与南京之统一战线也是不可能的。”因此，我军主力“应即在豫旺县城以东，向山城堡迅速靠近，集结全力，准备打第一仗”。中央军委还规定，各兵团首长须绝对服从前敌总指挥彭德怀之命令。据此，红军前敌总指挥部决定发起山城堡战役，狠狠打击国民党军胡宗南部。已经到达前方的周恩来与朱德、彭德怀等共同指挥了这次战役。
11月17日，胡宗南部分左、中、右三路向定边、盐池前进。当日，其中路第2旅在萌城以西地区被红4、红31军击溃，伤亡团长以下官兵六百余人。红军取得山城堡战役的第一个战斗胜利。胡宗南恼羞成怒，急令所部各路推进。11月18日，其右路第78师师长丁德隆发觉红军主力已向洪德城、环县方向转移，即令所部向山城堡方向追击。
决战的时刻已经到来。18日，毛泽东、朱德、张国焘、周恩来、彭德怀、贺龙、任弼时联名下达《关于粉碎蒋介石进攻的决战动员令》，号召红一、红二、红四方面军全体指战员“服从命令，英勇作战，克服任何的困难，并准备连续的战斗”，粉碎敌人的进攻，开展新局面，以此作为三个方面军会合于西北苏区的第一个赠献给胜利的全苏区人民的礼物。
彭德怀于11月19日亲赴陕甘两省交界甘肃环县境内的山城堡勘察战场。这里沟壑纵横，川塬相交，地形复杂，便于红军设伏。山城堡住户很少，却有一股毛孔大的泉水，在干旱地区难得一见。彭德怀预计胡宗南部为得到饮水，非到此地不可，随即确定在此迎击敌军。当日，参战各部迅速到达指定地点，就地构筑工事，隐蔽待机;群众坚壁清野，封锁消息。
20日，胡宗南部左路第1旅进占红井子，第97师跟进到大水坑;中路第43师向保牛堡前进;右路第78师进占山城堡、小台子、风台堡等地，并派出三个连沿山城堡至洪德城大道向南侦察，遭红军伏击后，残余逃回山城堡。第78师师长丁德隆感到情况不妙，连忙下令在山城堡周围山地修筑工事。
11月21日黄昏，国民党军第232旅向曹家阳台收缩。担负主攻任务的红1军团第1、第4师乘机发起进攻，攻入山城堡，并转入追击。其他红军部队也全面展开进攻，红1军团第2师和红15军团一部由山城堡南、北两侧向其西北的哨马营迂回攻击，切断敌人退路;红15军团主力由山城堡东北向西南实施进攻，红31军一部由山城堡以北向南实施进攻。在红军的猛烈进攻下，国民党军顿时溃散，除一部趁夜暗慌乱突围外，大部被红军包围压迫于山城堡西北山谷中。黑暗中，红军战士挥动着大刀，乘着满地白雪映出的光亮冲向敌群。敌人吓得钻进壕沟工事里，跑向山谷中。聂荣臻回忆说：“战斗从当天黄昏打起，一直打到第二天上午结束。先截断了敌人西逃的退路，然后从东、南、北三个方向向敌人展开猛烈攻击。战斗开始，五团政委陈雄同志亲自带领一排人，一下子就冲入敌人阵地。他们用手榴弹将敌人的临时堡垒一个一个地炸毁，一连占领十个堡垒，随后又把敌人几处主要阵地都拿下来了，敌人就溃败下去了。部队一追就和敌人混战在一起。这时天已经很黑，伸手不见五指，也分不清敌我，枪也不能打，手榴弹也不能投，上去就摸帽子，摸着是国民党戴的那种帽子就拿手榴弹砸头。夜晚打乱了敌人的部署，白天的仗就比较好打了。经过一夜多的激烈战斗，将敌人78师232旅及234旅的两个团全部歼灭。”
山城堡战役于11月22日9时胜利结束，红军共歼国民党军第78师一个多旅。第78师在战报中说：此战“损失极重，混乱不堪”，“以现计约损失三分之二以上”。在此期间，胡宗南派向盐池方向进攻的另外几个师也被红28军击溃。胡宗南部遭受沉重打击后，被迫全线后撤至大水坑、萌城、甜水堡及其以西地区。
山城堡战役的胜利，是三大主力红军会师后协同作战所取得的第一次重大胜利，也是长征的最后一仗。这一胜利，对击破蒋介石的进攻，稳定陕甘宁根据地的局面，发展革命力量，促进国内和平的实现，具有重要意义，是对奠基西北的一份厚礼。它标志着红军艰苦卓绝的两万五千里长征，最终以红军的彻底胜利、国民党军的彻底失败而胜利结束，为长征画上一个圆满的句号。
