20日上午10时，红一方面军首长定下决心：“21日灭直罗镇一带之敌1至2师。”并作出如下部署：红一方面军兵分两路，在直罗镇附近隐蔽设伏。红一军团21日晨在袁家山附近展开，首先以2个师自北向南突击，担任正面战场战斗任务。第一步攻占直罗镇北山，尔后在红十五军团协同下夺取直罗镇；另以1个团在直罗镇东北，协同葫芦河以南红十五军团一部，阻击敌军沿葫芦河东窜；以另1个团进至老人山方向，切断109师与支援部队联系，阻敌西逃，并打击可能的援敌部队，以侦察分队向黑水寺佯动。然后，视战役发展情况歼灭第57军其他梯队。红十五军团于21日清晨在直罗镇以南展开，自南向北突击，攻占直罗镇南山，尔后协同红一军团夺取直罗镇。红十五军团第81师，以1个团加1个骑兵连的兵力，继续围攻甘泉，师部率主力部队钳制东路可能来援之敌。 事实上，行事更为谨慎缜密的师参谋长刘德裕为了确保安全，依然认真观察了当地地形，在发现已被红军拆毁的山寨地处险要后，下令士兵连夜将其修好，并率领下属部队部分兵力占领了直罗镇附近的两块高地，以备红军来袭时应战。 夜色愈发深重，酒足饭饱的109师官兵逐渐进入睡梦，而此时，红一军团和红十五军团正在林彪和徐海东的带领下，从山上逐渐逼近敌军，逐渐形成紧密包围圈。21日5时30分，就在敌人还在酣睡时，红军将士接到上级指令，进攻的时候到了！ 红军将士们首先用密集的手榴弹将敌军主要火力点一一端掉，随后带上刺刀冲锋陷阵，伴随着震天的喊杀声和枪炮声，红军如潮水般从四面八方杀入敌阵，毫无准备的敌军从梦中惊醒，还没分清形势就发现红军将士已经尽在眼前，顿时吓破了胆，乱成一锅粥，四处逃窜，很快被大批歼灭。而本来被刘德裕安排在高地警备的部队也应战不及，负责防守的626、627团团长一个阵亡、一个自杀。 此时的牛元峰在悔恨中慌忙指挥部队反击，却仍然看到自己部队被红军宰杀，而他就像困兽一样被红军用钢铁牢笼紧紧包围。他率领部队东躲西逃，可在地域狭小的直罗镇，回旋余地很小，根本看不到任何出口，想要突出重围又发现红军的火力实在难以招架。此时先前负责掩护的6架敌机慌忙前来支援，可是敌我在近距离厮杀中难以辨识，根本无法投弹。 牛元峰带着仅剩的1个团长马镇夷指挥残部500余人退守至昨晚刘德裕刚修好的山寨里。