3月13日，胡宗南以整编第1、第29军共15个旅14万余人的兵力，由洛川、宜川之线分两路向陕北发动进攻。（关于胡宗南部向延安发起进攻的日期，有3月13日和14日两种说法。这里根据中央文献出版社等单位近年编写的《毛泽东军事文集》第4卷、《周恩来传》等书，采取前一种说法）
为加强攻势，自上海、徐州调集作战飞机75架至西安，由空军副总司令王叔铭指挥，对延安等地的党政机关、军事设备、工厂、仓库以及前沿阵地进行自内战爆发以来规模最大的“战略大轰炸”。3月13日4时许，一批炸弹扔在延安北门附近，企图炸毁人民解放军总部。仅13日一天即投弹59吨。至3月19日，几乎每天都出动飞机三四十架次，轮番轰炸八九小时。扔在杨家岭毛泽东住地周围的燃烧弹达30余枚。18日正在开会的毛泽东、周恩来等人，几次中断会议，躲避飞机的轰炸。
胡宗南部在飞机、坦克掩护下气势汹汹的进攻，遭到西北解放军的坚决抗击。教导旅和警备第7团虽仅有3个团、5000余人，且装备极差，但广大指战员怀着钢铁意志，依托防御工事，英勇顽强，寸土必争，使胡军每占领一个阵地都要付出重大代价。
对14日的战况，西安绥靖公署有详细记载：“第1师由新庄地区发起向旧冶城三泰庄之线攻击，遭敌之节节抵抗”，“第90师由英旺地区发起向刘村附近攻击，沿途遭敌之顽抗”，“整第27师由平陆堡地区发起向临真攻击，遇敌教2旅依堡垒之坚固工事顽抗”，“第17师由堡子头发起向茶坊攻击，敌依据茶坊北山寺之坚固阵地顽抗……”同时，游击队和民兵的广泛出击和爆破活动，也使胡军行动缓慢，每天前进不到10里。原西安绥靖公署副主任兼前线指挥官斐昌会著文说：“部队前进后，由于解放区早已完成了坚壁清野工作，胡军各部派出的搜索部队又经常遇到边区民兵的奇袭，因而不敢远距离侦察，情况不明，地形又不熟悉，因此部队行动缓慢。”（《文史资料选辑》第36辑，第2页）
激战至16日，胡军虽突破第一道防御阵地，占领临真、龙泉、茶坊、牛武等地，但其右路兵团被阻于金盆湾、马坊以南地区，左路兵团被阻于板桥、麻子街以南地区，未能实现其预定计划。当天，毛泽东发布命令，表扬西北解放军，并指示其积极组织防御。
由彭德怀、习仲勋统一指挥的西北野战部队，立即调整部署，编成3个防御兵团，加强组织抵抗。以第1纵队（3月15日返回延安以南）和警备第7团为右翼兵团，由张宗逊、廖汉生指挥，在道佐埠、甘泉、大小劳山、清北沟、山神庙地区组织防御；以第2纵队和教导旅为左翼兵团，由王震、罗元发指挥，在南泥湾、金盆湾、松树岭地区组织防御；以新编第4旅为中央兵团，由张贤约、徐立清指挥，除以不少于4个营在庙尔梁、程子沟、三十里铺地区组织防御外，余为预备队，置于延安兼防敌伞兵并控制机场。
各兵团白天以少量兵力，节节抗击，坚守要点，并适时组织兵力进行反冲击，经常以1个班、1个排抗击成营成团的胡军。晚上则充分发挥善于夜战的特长，广泛出击。指战员们几天吃不饱饭，喝不上水，但始终充满信心，英勇战斗。
胡军因进攻受挫，前进缓慢，于16日占领金盆湾、道佐埠后，便采取“钻隙战术”，主力经茶坊、王庄北进，侧击解放军纵深防御力量比较薄弱的松树岭至杨家畔一线。
西北解放军的顽强抗击，特别是到处埋设地雷使胡军伤亡大增，士气沮丧。原国民党军整编第90师副师长任子勋在记述当时的情况时写道：“金盆湾以南十里一段地区，解放军到处埋设地雷，进攻部队在前进中不时发生触雷事件，炸死炸伤人马不少，行动甚为缓慢。占领金盆湾后，发生触雷事件更多，每一房间或窑洞，门槛上、坑火里、坑洞内、水缸中、门背后、窗户上，都有埋设或拴上地雷的可能。只要走进屋内，谁要粗心大意，一举手、一投足之间，就会被炸死或炸伤。弄得人人精神紧张，谁也不敢进屋，谁也不敢动手。”（《文史资料选辑》第36辑，第11页）
胡宗南未能实现17日占领延安的计划，蒋介石又再三催促，心急如焚，遂于18日午后下令给首先攻入延安的部队奖赏1千万元。命令说：“各师到达杨家畔以北之线，如时间许可，应即编成突击队直袭延安，突击成功部队赏洋1000万元。”（西北军区保存的国民党档案）
当天下午已进占杨家畔，距离延安仅有14里的整编第90师师长陈武接此命令后，满以为可以抢到头功、名利双收，便兴高采烈地说：“这下子我们可以取得占领延安的首功了！”（《文史资料选辑》第36辑，第12～13页）谁料18日半夜，胡宗南却突然命令整编第90师改变突击方向，向宝塔山至清凉山一线以东地区进攻，整编第29军在攻占延安以南之二十里铺后亦停止前进，而以整编第1师第1旅进占延安。
18日傍晚，延安的党政军领导机关和群众的转移疏散已经完毕，东南郊区的枪声越来越密，毛泽东、周恩来在彭德怀、习仲勋的一再催促下，才从容不迫地离开延安。
19日上午，西北野战部队在完成预定任务后，主动撤出延安。下午3时，胡军先头部队进占延安。