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20日夜，中央紅軍從北向南，紅15軍團從南向北，向直羅鎮兩側的山嶺集結，將109師層層包圍起來。
21日拂曉，兩路紅軍猶如兩隻鐵拳，從直羅鎮南北兩側的高山上砸了下去，炮火猛烈，動作迅猛，聲勢浩大，殺聲震天，整條山谷恰似天塌地陷。
原本感覺良好的國民黨官兵被這突如其來的槍炮聲給震懵了，他們原以為紅軍雖然英勇善戰，但那是在南方。如今他們遠道而來，肯定是人疲馬乏，不堪一擊。更何況昨日剛一交手，紅軍掉頭便跑，這更增加了他們的傲氣。萬沒有想到，這不過是紅軍的誘敵深入之計，如今萬人擠在一條狹小的山川裡，既無險可守，又無陣地可踞，處於被動挨打的絕境，頓時軍心大亂，兵無鬥志，北邊的槍一響，他們就向南跑，南邊的槍一響，他們又調回頭來向北逃，猶如一群驚了窩的綿羊，亂跑亂竄。
牛元峰見形勢不妙，立刻指揮自己的一隊親兵，冒著彈雨和炮火，竄到鎮東頭的小寨裡，利用這兒的圍牆負隅抵抗。
109師曾多次同紅軍交過手， 不少官兵曾當過紅軍的俘虜，知道紅軍的抗日和優待政策，因此當紅軍炮火一響，他們並不忙著還擊，而是就近找一避身之地先躲起來，當炮火漸稀紅軍衝下山來時，便紛紛交械投降，爭取寬大。
戰鬥進行了不到兩個小時， 109師就被解決了，只剩下牛元峰率領一營親兵，還在小寨子裡堅守。
這個小寨子當初紅軍指揮員看地形時本已看過，而且估計到敵人有可能利用，因此在作戰之前已派人將主要建築物拆除，然而由於戰前人們對這兒重視不夠，對一些石牆拆除不徹底，結果牛元峰佔領後，稍加修整，便成了一個堅固的堡壘，紅軍多次衝鋒，都未攻克。
紅15軍團長徐海東立刻把軍團炮兵連調過來，對小寨進行集火射擊。當時的15軍團炮兵連名曰一個連，其實只有兩門炮，一門平射炮，一門迫擊炮，在這樣地形較複雜的山地戰中壓制目標， 其實還是迫擊炮的威力更大些，無奈全軍團只有4發迫擊炮炮彈，平射炮的炮彈倒有好幾十發，沒辦法，徐海東只好命令迫擊炮相機發炮，摧毀敵寨的主要任務交給了平射炮。
說實話，在平原作戰中，平射炮的威力是不可小視的，可打對面山頭上的火力點，平射炮威力難以發揮了。炮兵連的官兵們接受任務後，仔細觀察了小寨的地形特點，對紅軍衝擊時威脅較大的幾個主要火力點，進行了具體地測量和標定。
新的一輪進攻又開始了，這一次炮兵的平射炮較好地發揮了作用，它用準確的射擊，為步兵開闢出一條勝利的通道。
敵人苦心經營的火力點隨著一聲聲炮火的轟鳴，變成了一堆堆殘垣斷牆，敵人只能蜷縮成一團，最後收縮在小寨中心的一兩個掩體裡。
牛元峰此刻已是灰頭土臉，肥胖的草黃呢軍衣上沾滿了泥土，且被飛迸的彈火燒得斑斑點點盡是焦洞。
“報務員， 給我叫106師，我要同董英斌講話，讓他拼命向我們靠攏，伸出手來拉我們一把……”牛元峰對著報務員暴怒地喊。
報務員一遍遍地呼叫著，許久，報務員才摘下耳機，惶恐地對牛師長說：“和106通上話了， 董師長說，他們也遭到了共軍的阻擊，全師受到重創，在黑水寺損失一個整團，現在他們實在沒有力量再往前衝擊了……”
“他媽的，飯桶，都是飯桶……”牛元峰一迭聲地大罵之後，頹然坐在冰涼的石板上。
“怎麼辦？”守候在牛師長身邊的幾位軍官絕望地看著他。
官兵們發現，兩天前，這位聲言要踏平陝北，一舉剿滅共軍的不可一世的師長，此刻似一條喪家之犬，滿臉懊喪。
是夜，牛元峰率眾悄悄摸下了山，妄圖趁人不備溜出紅軍的包圍圈。然而他們剛剛衝出第一道警戒線，黑夜裡頓時亮起了無數的火把。
山上有人大呼：“牛胖子跑了，快追呀！”
山下有人高喊：“放心吧，牛跑不了，我們一定把牛牽回來。”
牛元峰一口氣跑了25裡山路，當他跑到直羅鎮西南的一個山頭上時，實在跑不動了，只得蹲在地上大口大口地喘粗氣。
紅軍75師的一個班追了過來，大聲喝道：“舉起手來，繳槍不殺！”牛元峰肥嘟嘟的兩臂舉了起來，可腰身還在一躬一躬地大喘粗氣。
此役，紅軍共俘敵5300餘人，繳獲迫擊炮6門，一大批槍支彈藥，紅1軍團和15軍團的炮兵連都得到了加強。
直羅鎮戰役，證明
