1947年，蒋介石在其向解放区的全面进攻失败之后，将全面进攻改为重点进攻。他调动胡宗南军主力25万人向陕甘宁解放区发起进攻，企图歼灭我西北野战军并消灭中共中央领导机关。西北野战军为了创造战机歼灭敌人，配合太岳兵团出击豫西，于8月6日围攻长城要塞榆林。榆林是晋陕绥边境的反革命重要据点，聚集了陕北、晋西的逃亡地主，西与宁夏马鸿逵集团，南与延安胡宗南集团构成犄角之势，北与傅作义集团相依，是陕绥的重要门户。蒋介石深恐榆林丢失，宁夏孤立，影响西北整个战区，命令胡宗南抽出10个半旅，共6300多人，迅速分路北上，以解榆林之围。同时，敌人还想趁我军主力攻榆林之际，寻找我党中央和西北野战军主力决战，企图将我军消灭于榆林、葭县和米脂一带，或将我军赶到黄河以东的晋西山区。
我西北人民解放军决定寻找机会，给敌人以打击。当时，我刘邓大军，已转入外线作战，开始了对敌人进行战略反攻的总形势。我军坚持内战作战的各个部队，正在各战区整训待命，积极准备配合外线进攻的大好形势，反动内线反攻。我西北人民解放军发动攻势的突破口选在何处，是由当时陕北敌军的情况决定的。刘邓大军向中原挺进以后，胡宗南集团的整编第10师、整编第79师、骑兵第10个半旅增援陕北，使西北敌人兵力分散、战线延长，后方空虚。这为我西北人民解放军发动攻势创造了条件。我军如果在陕北选择适当的地点，抓住战机，歼灭敌人主力，必能对陕北乃至全国各战场发生重大影响。沙家店就是这样一种很适当的歼敌战场。但沙家店紧靠黄河，西面和北面都是沙漠地区，回旋面积小，粮食少，在此发动歼敌的战斗，是比较要冒风险的。
敌人希望我军东渡黄河，我军就利用敌人的这个心理特点，诱敌上当。我军小部队东渡黄河，而主力则隐蔽在沙家店一带，等敌人送上门来。为了便于指挥沙家店的这次战役，中央机关也向前线靠拢，来到离沙家店10公里的梁家岔。这个地方只有六七户人家，几百人的队伍来到这里，除了中央几个领导人住进窑洞外，其他人只能在露天过夜。刚安顿下来，不久通讯兵和西北野战军司令部联系上，清脆的电话铃声响了起来。毛泽东拿起话筒就说：“我是毛泽东！”听见这样的答话，周围的人先是吃了一惊，随后才明白过来。原来，自从离开延安以后，毛泽东一直用代号李德胜，现在他不用代号，说明形势大有改观。话筒里传来了好消息：敌36师已经被包围了。原来，当我西北野战军一小部分开始向黄河方向出动时，敌人用飞机和电台侦察我军的行迹，发现我军有东渡黄河的倾向，因而欣喜若狂。敌人认为我军“败走晋西，必定惊慌失措”，想趁我军过河时打垮我西北野战军。胡宗南下定“迅速追击，勿失此千载良机”的决心，急忙命令各路敌军迅速追击。
刘戡亲自带领整编的29军由绥德北进，敌36师从榆林南下追赶我军，敌人南北对进，企图对我军实行南北夹击。但敌36师距离主力较远，形成了孤军冒进。我军以一部分兵力阻击第29军等部，以6个旅集中于沙家店一带，把敌36师包围起来。
毛泽东给西北野战军司令部下令：“要坚决、彻底、干净、地消灭敌人，不让一个敌人跑掉！”放下电话后，毛泽东与周恩来等人研究下一步的行动。这时，工作人员早在墙上、炕上、桌上安置好了地图。电话机不时地发出清晰的铃声，毛泽东总是迅速地接听前方战场打来的电话。一发现有新情况，就和周恩来等一起伏在地图中商量，做着标记，随即发出指示。
当敌36师第123旅前进到刘家沟时，带领随后敌军的36师师长钟松顿时觉得123旅离他太远，急忙电令123旅撤回沙家店。但因天黑，山路崎岖，敌123旅害怕被歼，只让一个团后撤，主力仍在刘家沟不敢移动。8月20日凌晨两点，我军对钟松发起攻击。敌人不敢跳出阵地，钟松一面指挥部下凭构筑的工事抵抗，一面急命123旅回援。在师长的严令下，123旅于8月20日清晨4点由刘家沟急驰沙家店。但他们不敢走大路，绕道常高山而来，正好遭到我在常高山的教导旅和新编第4旅的拦截。两个小时内，敌36师第123旅就被全歼，旅长当了俘虏。
南面的刘戡得知钟松被包围，也赶紧前来救援，但我军早有准备，派出部队在葭县一带阻击。钟松见援兵不是被歼就是被阻，便急着要突围。胡宗南气坏了，打电话把钟松大骂了一顿，还命令他“固守待援”。钟松只得服从，留在原地硬撑。可“待援”必须有援兵，这一带哪里有援兵？胡宗南还是找到刘戡头上。他打电话训斥刘戡“救援不力”，命令他星夜救援钟松。刘戡倒不是不救，而是因为受到阻击，怕被解放军消灭，所以行动迟疑。胡宗南更火了，下令要把刘戡撤职查办。
就在敌人乱作一团的时候，西北野战军司令员彭德怀发出总动员令。总动员令说：彻底消灭敌36师是西北战场我军由战略防御转为战略进攻的开始，是收复延安解放大西北的开始，全体指战员务必在本日黄昏以前全部歼灭敌人。我军协同作战，英勇顽强地和敌军展开了激战。当日下午6点，就多处突破敌人的阵地。除钟松带领少数几个人逃跑外，其余敌军全部被歼。
当毛泽东在窑洞里得知这一消息，微笑着说：“好，这回看胡宗南怎么交代！”门外的警卫员们知道这一消息后，立刻欢呼雀跃。
第二天刚亮，就有伤员的队伍从沙家店战场下来。军医一齐出动，给伤员换药，包扎伤口；中央机关工作人员也全体总动员，组织临时救护队，连机关的牲口也全都去拉伤员。
接着，毛泽东、周恩来等人到西北野战军司令部驻地去祝贺。毛泽东说：“这一仗确实打得好！这是西北野战军由内线防御到内线反攻的转折点，是陕甘宁收复失地的开始。从此，全国战争的主动权已完全为我掌握。打了这一仗，就过坳了！”意思是走过了山坳，渡过了最困难的阶段，爬上山坡了。
由于胡宗南机动兵力被拖在北线，后方空虚，晋冀鲁豫野战军太岳兵团大军顺利地渡过了黄河。胡宗南着了慌，十万火急命令刘戡南下。刘戡南逃时，西北野战军又来一个追击。这样，把敌人挤出了陕北。
沙家店之战的胜利，标志着西北野战军反攻的开始和国民党对陕甘宁解放区重点进攻的失败。
西北野战军自1947年8月沙家店战役后，随即进入内线反攻。10月上旬连续发动攻势，收复延长、延川、清涧三地，歼敌8000余人。生俘敌76师师长廖昂。10月26日至11月10日，又两次围攻榆林，歼敌2400余人。之后转入外线作战。