中共为了贯彻夺取宁夏的战略计划，决定相机打击反共军队。红一方面军主力在固原以北的七营地区歼灭进犯的敌骑兵第六师两个团的大部，红一军团特别支队派一个团占领了界石铺；红二方面军在进占徽县和两当后，向宝鸡方向推进。与此同时，红四方面军北上，与红一方面军会合。随后，红军分五个纵队，相继从岷县和潭县等地向通渭、庄浪和会宁前进。红一方面军接应红四方面军北进。
10月份，西北高原红旗漫卷，红军总部和红四方面军总指挥部到达会宁，同红一方面军部队会师。不久，红二方面军总指挥部到达静宁以北的将台堡，同红一方面军的第二师会师。三大主力红军汇合在一起，战士们热烈地握手、拥抱，到处飘荡着喜悦的歌声：“三个方面军，西北大会合，让我们手拉手，向敌人冲锋。”歌声向全国民众展示了新的希望：促进全国抗日战争的实现，已经有了坚实的基矗
红军会师后，力争早日实现对日作战。红一方面军和红二方面军组成南路军，逐次南下，占领镇原、正宁和洛川，继续向濒临黄河的韩城、宜川和延长地区发展。红四方面军的两个军团组成北路军，在宁夏省灵武和盐城地区待机，沿安边和横山推进到黄河沿岸的神木和府谷地区。南北两路到达黄河沿岸后，迅速筹集船只，准备再渡黄河，进入山西，开赴抗日前线。
这时，国民党军队正准备西渡黄河，“追剿”红四方面军的河西部队。同红军有统战关系的东北军王以哲部，经过劝阻，前进缓慢；国民党第三军进占同心城后，也停止前进；唯有胡宗南的第一军行动积极，分三路向豫旺县进攻。
中共中央军委接连发出指示：“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，才有利统一战线。否则敌以为我可欺，不但局面不能开展，与南京之统一战线也是不可能的。”
红军前敌总指挥部决定歼灭胡宗南的第一军第七十八师。11月19日，红军到达环县以北的山城堡南北两面。这里土寨很多，地形复杂，非常适宜于隐蔽和依托。胡宗南的部队全速向前推进，其中一路两个师插向盐池，在红军到达的同一天占领了惠安堡，另一路是第七十八师，在第二天占领了山城堡。胡宗南企图从两翼包围红军。
21日，预先埋伏在山城堡周围的红一军团和红十五军团的一部，突然向胡宗南的第七十八师发起猛攻，首先截断了敌军西逃的退路。第七十八师挨了一闷棍，不知所措，凭借山地土寨顽抗。黄昏时分，红军其他各路部队从东、南、北三面发动全面攻击。
天色渐暗，很快就变成漆黑一团。没有月亮，没有星光，手指伸到眼前也看不见。红军战士全凭感觉和经验在黑暗中运动。突击队用轻重机枪和手榴弹开路，接连攻下一个个山头和土寨。后面的大部队端着刺刀，挥着马刀，和敌军展开肉搏。激战中，战士们右手握刀，左手向前摸索，摸到人头上有个“圆巴巴”，就知道是国民党军队的帽徽，右手一刀砍下去。也不知对方是死是活，又去摸另一个。
顽抗的敌军很快就拼命逃跑，战士们奉命追歼。他们挥着战刀，有时插到敌军中间，有时跑到敌军前面。蒋介石的嫡系部队，碰上了夜老虎般的红军，完全失去了战斗力，被冲得七零八落。等到天亮，一看周围全是红军，便把枪一丢，一屁股坐在地上，再也不跑了。
这一仗，红军歼灭蒋介石嫡系主力一个多旅，胡宗南的其他部队泄了气，仓皇撤退到大水坑、萌城及其以西地区。蒋介石发动反革命内战，到这时已经打了整整十年，山城堡战斗，成为结束十年内战局面的最后一仗。
中共中央、中华苏维埃中央政府和中央革命军事委员会联合发出的“为庆祝一、二、四方面军大会合通电”指出：
全国主力红军的会合与进入抗日前进阵地，在中国与日本抗争的国际火线上，在全国国内政治关系上，将要起一个决定的作用了。
我们即刻就要进入一个新阶段了，这就是抗日民族革命战争的新阶段，就是创造全国国防政府、抗日联军与民主共和国的阶段。我们要在这个新阶段中，树立全国人民的模范，树立抗日战线的模范，争取一切国民党军队加入抗日民族统一战线，开通抗日前进道路，扩大抗日根据地，巩固抗日根据地，为保卫西北而战，为保卫华北而战，为保卫全国而战，为收复失地而战，为联合工农商学兵，为联合各党各派各界各军驱逐日本帝国主义出中国而战。