当天晚上，毛伟人主持召开了团以上干部会议，研究对策。
当时在一些红军干部中，对打还是不打，意见并不一致。
有一部分人不主张打，认为红军长途行军，大家都很疲劳，情况又不熟悉，没有把握打胜，等把这些敌人引进苏区，了解情况后再打，毛伟人和许多同志则认为一定要打。
毛伟人分析指出：“我们疲劳，敌人也疲劳，吴起是山区，不利于骑兵作战，况且我们已有打骑兵的经验，另外，我们已经到了陕北革命根据地，有良好的群众基础。”
根据这些有利条件，最后决定：“不仅要在吴起打这一仗，而且一定要打好，决不能把敌人带进陕北苏区来。”
红军各参战部队，根据中央军委的部署，先后于10月19日晚、10月20日晨，分别进入战地布防。
一纵队驻防于吴起镇及二道川塔儿湾以东，埋伏于三道川和二道川与头道川之大峁梁上，在敌之左侧，其中四大队埋伏在头道川的杨城子左右山坡上，准备截断敌人的退路。
二纵队驻防于吴起镇西北乱石头川的梁台、郭沟门一线，埋伏于头道川与乱石头川之间的山梁上，在敌之右侧。
三纵队驻防于吴起镇东南宁塞川的宗圪堵至彭沟门一线，埋伏于洛河东侧吴起镇的燕窝梁上，在敌之正面。
中央红军布下口袋阵，严阵以待，随时准备全歼来犯之敌。
民党军队在何连湾集结后，于10月18日拂晓奉命追击红军，以骑兵为主力先行，步兵随后跟进。
敌军师长白凤翔率六师三个骑兵团，敌副师长张诚德率三师两个骑兵团，统归白凤翔指挥，敌三十五师马培清骑兵团因地形熟悉，走在最前面。
他们日夜兼程，死死咬住红军不放，犹如甩不掉的“尾巴”。
10月19日晚上，马培清骑兵团先行进抵铁边城附近宿营，距红军仅有十多里。
为了使红军主力在吴起镇集结，中央干部团担任狙击敌骑兵追击的任务。
团长陈庚命已经升任连长的张永强，率48人埋伏在距铁边城约十华里的王畔子东西两个山坡上待机歼敌。
10月19日太阳刚出时，驻在铁边城的马培清骑兵团，派出一个排，顺头道川侦察前进，当敌人进入红军的射程时，张永强一声令下，机枪、步枪一齐开火，敌骑措手不及，很快就被打散。
随即敌一个连的兵力，又向红军的阵地扑来，倾刻之间，仍被张永强的人被打散。
午后，敌三十五师骑兵团的一个营在飞机、迫击炮和轻重机枪的掩护下，顺着小沟、塄坎向红军阵地袭来。
红军战士以一当十，激战两小时，敌骑兵再次被红军击退。
红军干部连以少数人牵制了敌军的兵力，给红军主力争取了时间，保证了在吴起镇的集结。
完成狙击任务后，张永强连于晚间12时撤离了阵地。
10月20日，敌三十五师骑兵团让开中路，又顺二道川与头道川之间山梁侦察前进，从侧翼夹攻。
下午，敌人准备在二道川刘河湾一线宿营时，遭到红军一纵队的伏击，马培清凭借有利地形，重新将部队布防在头道川与二道川之山梁上，在一块尚未收割的荞麦地里修筑工事，准备在此扼守。
入夜，马培清估计情况不会有变化，便留一部分人由一个连长带领，在荞麦地防守，其余都撤到二道川塔儿湾附近休整。
次日，白凤翔率两个骑兵师由正面推进。
白凤翔部凭借人多势众，装备精良，气势汹汹顺头道川奔驰而下。
在黄昏时分，敌三师两个骑兵团进入红军包围圈，埋伏于杨城子山坡上的红军一纵四大队约600人趁敌不备，突然发起攻击，经过两个多小时的激战，打死打伤敌军400余人，缴获战马100余匹。
10月21日4时半，毛伟人登上洛河以西的平台山，来到设在一株杜梨树下的指挥所，召开部分干部会议，进行战前动员，反复强调打好这一仗的重大意义。
会后，毛伟人给警卫员说：“现在休息休息，枪声响得激烈时不要叫我，到打冷枪的时候再叫我。”
凌晨7时左右，一纵队二大队在二道川塔儿湾首先对敌三十五师骑兵团发起攻击，敌军大乱，敌团长马培清随即把兵力撤到二道川与头道川的山梁上，窥视方向，准备逃跑。
当马培清逃窜未及10华里时，又遭到红军一纵主力的伏击，敌人负责警戒的那个连顿时瓦解，这时战斗全面打响，红军左右两翼配合作战，截住白凤翔第六师的一个骑兵团，将其全部缴械，其余被我击溃。
白凤翔率残部调头逃命，红军追击50余里。
敌马培清的骑兵团亦被红军在山梁上打得七零八落，即率残部向元城子方向逃窜，逃到齐桥，又遭埋伏在三道川的一纵二大队的伏击，经过激战歼敌50余人，缴获战马20余匹。
从7时整个战斗打响，到9时多结束，全歼敌三师的两个骑兵