彭德怀、习仲勋撤离延安时，按照中央军委集中兵力打运动战的指示，将野战兵团主力集结于甘谷驿、青化砭地区，以第一纵队独一旅二团二营在延安西北同敌保持接触，佯作掩护主力撤退之势，诱敌主力深入安塞。
果然，胡宗南部进占延安后，将西北野战兵团的主动撤退误认为是“仓皇北窜”，随即将其前进指挥所由洛川移至延安，急于寻找西野主力作战。二十一日，胡宗南部为西野第一纵队一部的佯动所惑，误以为西野主力，遂令整编第一军第一师、九十师共五个旅的兵力向西急进，二十四日占领安塞。为保证其主力的侧翼安全，另以整编二十七师三十一旅(欠九十一团)由临真向青化砭前进，建立据点。当晚，西野电台截获并破译了胡宗南调动三十一旅的电报。为了不失战机，彭德怀、习仲勋和张文舟一起连夜察看地图，分析研究敌情。在判明敌军意图后，彭、习当即定下决心，采用伏击战术，在青化砭地区坚决歼灭侧翼之敌三十一旅。
同日，彭德怀、习仲勋还获知：董钊军部率一师、九十师之四十七旅集结延安附近，四十八旅一四三团守备鄜县，新三十一旅和另一旅守备临真、金盆湾线，三十六师、七十六师各一部守备金盆湾至甘泉线，并各就驻地二十里内担任清剿。胡宗南二十二日来延安。据此，彭德怀、习仲勋对部队作如下部署：教导旅集结青化砭以东之何家山附近地区，新四旅在青化砭附近地区集结，一个营在拐峁十里铺警戒。上述各兵团力求隐蔽，警戒部队伪装民兵。一纵八旅在安塞、茶坊间，一旅在高桥准备转移至茶坊，各以一营在枣园、蓝家坪警戒。
二十二日凌晨二时许，彭德怀、习仲勋根据敌情变化，同时向作战部队和中央军委拍发两份电报。命令第一纵队司令员张宗逊、政委廖汉生：“我准备伏击该敌(三十一旅)。着第一纵队主力经安塞开至青化砭以西之梁村、石家沟、白家沟之线。八旅(缺一营)限二十三日晚到达，留蓝家坪北之营继续与敌保持接触，吸引敌主力向安塞。独一旅开高桥很不妥，应即尾八旅开安塞以东之主家庄、丁家庄、枚家庄之线，限二十四日到达，不得迟误，行动时须特别注意隐蔽。”命令第二纵队司令员兼政委王震、教导旅长兼政委罗元发：我军拟以伏击或乘其立足未稳彻底歼灭敌三十一旅。“我第二纵队、教导旅统归王震指挥，隐蔽集结于青化砭以东之阎罗寺、郝家河、胡家河之线，限二十二日晚集结完毕，二十三日看好地形，化装民兵，切实封锁消息。”“王、罗看好地形后定出由东南进攻青化砭、截敌归路、警戒拐峁之详细计划。”同时，令其他各旅于二十三日前按指定位置集结。彭德怀、习仲勋将敌情和野战兵团兵力部署，于凌晨专电报告了中央军委。上午，彭、习再次致电毛泽东和中共中央，就围歼敌三十一旅决心及兵力部署，请求指示。
为了做到万无一失，确保初战必胜，彭德怀、习仲勋于二十三日上午在延安东北方向的梁村前线指挥所召开了有纵队、旅以上指挥员参加的作战会议，并带领他们到青化砭四周察看地形，现场下达战斗任务，具体部署兵力，确定抢占要点及攻击要点。习仲勋伫立山头，俯视未来战场，一个布置严密的“口袋阵”展现眼前：作战部队主要隐蔽于青化砭蟠龙川东西两侧及以北地区。第一纵队在川之西山设伏，第二纵队和教导旅在川之东山待命，新四旅在青化砭东北警戒，对着沿咸榆公路北进敌军的“口袋”已经张开，待其后尾通过房家桥后即紧束“袋口”，断敌退路，伏击歼敌。此时，站立在他身边的彭德怀，右手托着下颌，若有所思。从他舒展开的眉宇间可以看出此役已胜券在握。
二十三日，彭德怀、习仲勋在青化砭西北高地指挥所向作战部队发出歼敌命令，指出：本军决于明二十四日以待伏动作消灭敌三十一旅全部之。要求“各兵团务于三月二十四日六时半以前部署完毕，部署时须注意隐蔽于敌侧卫搜索线以外，勿使敌过早发现”。命令号召全体指战员发扬坚决勇敢的jīng神、猛打猛冲的战斗作风和吃苦耐劳、克服困难的光荣传统，坚决消灭敌第三十一旅。
二十四日拂晓前，野战军作战部队进入伏击阵地。各旅官兵在冰雪未融的山地卧伏竟日，未见国民党军踪影，预定歼敌计划未能实现。前指即命各部于下午六时撤出阵地待命。彭德怀、习仲勋向中央军委、毛泽东报告：敌三十一旅二十四日到达拐峁，停止前进，可能是待补粮食。我们明(二十五日)仍按原计划部署待伏三十一旅。这时部队出现的思想情绪反映到了前线指挥所，引起了习仲勋的重视。这些思想情绪一是担心，担心战场离延安这么近，会不会走漏消息;二是怀疑情报是否可靠。彭德怀、习仲勋要求各旅切实加qiáng思想工作，坚信边区群众的觉悟和上级伏击歼敌的决心。二十五日拂晓前，向各纵队、旅发出电令：“按二十四日部署坚决执行伏击。必须耐心认真布置，勿因敌一二次不来而松懈战斗准备。”习仲勋还记得在大家急切等待中，彭德怀说了一句极富感情的话：这里是老革命根据地，群众基础好得很。大家要坚信，根据地里的群众，是不会向敌人告密的。
二十五日凌晨四时许，大地还在沉睡，夜幕笼罩着青化砭周围的山峁川道。西北野战军主力再次进入设伏阵地。约六时，国民党军第三十一旅由川口、拐峁出发，并配以空中侦察和地面火力搜索，向青化砭前进。彭德怀、习仲勋得到报告后立即带张文舟、徐立清进入前线指挥所。十时左右，敌三十一旅先头部队进至青化砭附近，本队进至石绵羊沟一带，后卫过了房家桥，全部进入彭德怀、习仲勋设置的“口袋”之中。此时，信号弹在空中升起，空寂无声的山野间顿时枪声大作，伏兵四起。担任断尾任务的第二纵队独立第四旅在石绵羊沟紧紧扎住“袋口”;埋伏于青化砭东北的新编第四旅突然跃出，阻敌前进;东西两侧部队以排山倒海之势冲杀下来，猛烈夹击敌人，迅速将胡宗南第三十一旅压至不到七公里长、只有二三百米宽的川沟之内。敌军首尾不能相顾，兵力尚未展开就完全丧失指挥，顿时乱作一团。经过一小时四十七分钟激战，即将三十一旅旅部及第九十二团二千九百余人全部歼灭。俘旅长李纪云、副旅长周贵昌、参谋长熊宗继和第九十二团上校团长谢养民，缴获子弹近三十万发。西北野战兵团伤亡仅二百六十五人，取得了西北野战兵团组建后首战胜利。这次胜利，打击了敌军的嚣张气焰，鼓舞了我军的斗志，增qiáng了边区军民胜利的信心。
战斗打响之时，习仲勋站在青化砭西北的一个山头上，手持望远镜，观察战斗进展情况。但闻枪pào声震耳欲聋，杀声四起，尘土飞扬，我作战部队从四面向敌人发起冲击，不觉就结束了战斗。他兴奋地对彭德怀说：“没有想到结束得这么快，我觉得战斗好像只打了十几分钟。”彭总也抑制不住内心的高兴，笑着说：“打了还不到两个小时啊!敌人气势汹汹，可是在眼前这个战场上，我们以绝对优势的兵力压倒了它。在具体战斗中，就得杀jī用牛刀噢!”