按照中央军委关于“两翼牵制，三军配合，夺取中原”的战略部署，西北野战军计划将国民党军胡宗南部引向陕北沙漠边沿，以利实现中央的战略决策。１９４７年７月２８日，彭德怀率西北野战军围攻榆林。８月８日，经两天激战，解放军直逼榆林城下，对国民党在陕北的统治中心榆林城形成包围之势。
蒋介石惟恐丢失榆林，影响整个西北战局，于８月６日急飞延安，部署救援榆林并准备在榆林、米脂、佳县之间的三角地带“围歼”西北野战军。按照蒋介石的命令，胡宗南急令整编第一军、第二十九军所属８个旅分两路向绥德、佳县地区急进，以整编第三十六师为援榆快速兵团，驰援榆林。鉴于三十六师救援榆林，毛泽东和中央军委当即同意彭德怀围点打援的计划。此时，解放军虽已歼敌３０００余人，但榆林城尚未攻克。彭德怀立即果断决定撤出榆林战斗，以小部队佯装主力东渡黄河。野战军主力则向榆林东南，米脂东北地区隐蔽集结。胡宗南误认为西北野战军骤然撤围是“仓皇逃窜”，遂令所部迅速追击。此时，自恃“援榆有功”的整编第三十六师师长钟松，率部经米脂县沙家店向乌龙铺方向孤军突进。彭德怀当即抓住战机，以西北野战军主力第一、二两个纵队及部分地方部队将整编第三十六师师部及第一二三旅、第一六五旅包围于米脂县沙家店一带。８月２０日拂晓，战斗打响，激战一天，歼灭胡宗南部整编第三十六师６０００余人，俘敌旅长等２名少将。
沙家店战役是扭转陕北战局的关键一仗，基本粉碎了国民党军对陕北的重点进攻。中共中央高度评价这一仗对全国战局的重大意义，指出：“经此一战，局势即可改变。”２３日，西北野战军召开旅以上干部会议，毛泽东、周恩来、任弼时到会向指战员们祝贺胜利。毛泽东说：“沙家店这一仗确实打得好，对西北战局有决定意义，最困难时期已经过去了。”