国民党军进入边区后，很难搞到西北野战兵团行动的情报，成了聋子和瞎子。其部队行动主要根据空中侦察，往往主观推断。4月下旬，国民党军空中侦察，发现绥德、米脂以东黄河各渡口集中了一批船只，解放军多路小部队向绥德方向前进。敌军统帅部根据所获情报，断定共军主力正向绥德附近集结，准备东渡黄河。就命令胡宗南部迅速沿咸榆公路北进，又令驻榆林的邓宝珊部22军南下米脂、葭（佳）县策应，企图南北夹击，将野战军一举歼灭于葭县、吴堡地区，或逼野战军东渡黄河。胡宗南除以167旅旅部带一个团加一个保安总队，加强蟠龙的守备外，命刘戡、董钊率9个旅于4月26日从蟠龙、永坪分左右两路向北进犯。董、刘两军主力开始出动的当天，彭德怀、习仲勋即令有关部队派侦察队迅速查明敌军去向。次日19时，彭德怀和习仲勋向毛泽东报告：“董、刘两军27日15时进抵瓦市，有犯绥德模样。”“我野战军本日隐蔽于瓦市东南及西南，拟待敌进逼绥德时，围歼蟠龙之敌”。毛泽东复电：“计划甚好，让敌北进绥德或东进清涧时，然后再打蟠龙等地之敌。”
为了“调虎离山”，造成敌军错觉，彭德怀还“投敌所好”。以359旅一部，并从其他旅中各抽出一个排，配合绥德分区部队，扮演主力向北撤退，节节抗击敌人。沿途故意丢弃一些部队的臂章、符号、破旧鞋袜和衣物，制造假象，诱敌加快北上。
延安东北的蟠龙镇，是胡宗南部集散的战役枢纽，前方补给基地，储存着大量军用物资。胡军每次“武装大游行”之后，就到这里进行补给。守敌167旅是蒋介石嫡系整编第1师的主力旅，装备精良，火力强。加上地方反动武装陕西人民自卫军第3总队，兵力近7000人。蟠龙是个小盆地，群山环抱，地势险峻，易守难攻。敌人利用蟠龙周围高地，修筑许多大、小地堡，组成地堡群，形成交叉火力网；环绕地堡群挖有宽、深各六七米的外壕。其东山主阵地集玉峁，更是工事坚固，明碉暗堡，星罗棋布。
攻打蟠龙是西北战场第一次攻坚作战。彭德怀分析，野战兵团南下攻打蟠龙，敌军必然回援，但最快也要三四天才能到达。必须抢在敌军之前攻下蟠龙。他在作战会上说：“最少我们有4天的攻击时间。但这是场攻坚战。如果说青化砭、羊马河两仗我们是吃了两块肥肉，那么，蟠龙这一仗我们要准备啃骨头，要切实做好攻坚、打硬仗的各项准备。”
当胡军摆成纵横几十里的“方阵”尾随野战兵团“主力”向北疾进时，彭德怀率领野司机关，就驻扎在敌“方阵”边的一个叫新庄的小山村里。侦察员和参谋不断送来十万火急的报告。这里同敌人仅隔几个山头，相距才1000米左右，随时都可能遭到敌人的袭击。司令部的人员都荷枪实弹，严密注视着敌人的行动，准备随时同敌人战斗。彭德怀说：“敌人怕我们打它的埋伏，是不敢下到山沟来的。”他若无其事，躺在土炕上，筹划着打击敌人的方案。当侦察员报告：敌人过去了。他从炕上一跃而下，说：“‘大路朝天，各走一边’，敌人向北，我们向南，各走各的路，各办各的事噢！”即命令队伍向蟠龙进发。
4月29日，彭德怀、习仲勋发出围攻蟠龙的作战部署。以1纵队、2纵队之独4旅及新4旅攻歼蟠龙守敌，359旅一部和教导旅分别阻击南北可能增援之敌。30日，野战兵团以迅雷不及掩耳之势，包围了敌人重兵把守的蟠龙镇。5月2日晚，进攻蟠龙的战斗打响。野战兵团缺少攻坚火炮，主要靠土工作业和爆破作业来摧毁敌人的坚固工事。从2日夜晚打到3日晨，只夺取了敌人的前沿据点，外壕不能通过，几次攻击都未能奏效。西北野战兵团确实碰到了硬骨头。
这时，彭德怀下令停止攻击，巩固已得阵地，主力进行休整，发扬军事民主。各攻击部队召开连排干部会、战士会，讨论如何夺取主阵地，准备黄昏再攻。指战员纷纷献计献策，提出采用对壕作业逼近铁丝网、外壕和敌堡，攻击部队编组轮番佯攻，以消耗敌人火力等多种有效办法。根据这些建议，彭德怀调整了攻击部署，集中火力，改进战术，再次发起猛烈攻击。当天打下集玉峁，动摇了守敌。
在攻打蟠龙的紧张时刻，彭德怀及时同王震通电话说：“万一敌人想跑，不论从哪一个方向突围，都要坚决围歼，绝不能让其跑掉一个人。”当部队报告，敌人开始向西山逃跑时，他马上致电第1纵队张宗逊、廖汉生：“现敌向核桃坪方向逃窜，必须堵击、截击、追击，务求彻底消灭。”彭德怀的意图很明确，就是力求全歼，不使一人漏网。
5月4日，野战兵团夺取了蟠龙之东山、北山主阵地，黄昏后从四周居高临下向蟠龙镇敌人猛攻。夜晚12时，蟠龙攻坚战胜利结束。