20日，胡宗南部继续向红军迫近，左路第一师第一旅当晚才进占红井子，第九十七师跟进至大水坑；中路第一师第二旅撤回豫旺县城休整，第四十三师接替中路，向保牛堡前进；右路第七十八师进占小台子、风台堡，其第二三二旅及另1个团进至山城堡地区，第二三四旅1个团进至曹家阳台。当日下午，第二三二旅由山城堡派出2个连，沿山城堡至洪德城大道向南侦察，在八里铺以南遭红一军团一部突然攻击，大部被歼。

21日下午，彭德怀决定对进入山城堡伏击圈的胡宗南部发起攻击。红十五军团一部和红一军团第二师向山城堡西北的哨马营攻击，阻断胡部退路。同时，红一军团主力由南向北担任主攻；红十五军团主力由山城堡东北向西南进攻；红三十一军由北向南、红四军由东南而西北向山城堡进逼。黄昏，敌第二三二旅向曹家阳台转移。红一军团第一、第四师和红三十一军一部，乘敌第二三二旅向山城堡以北山地撤退之机，从南、东、北三面攻入山城堡，并乘胜追击，将其大部压缩于山城堡西北山谷中，战至22日9时，将敌第二三二旅又一个团大部歼灭。此时，红二十八军亦在红井子附近击溃胡宗南部左路第一师第一旅。胡宗南第一军其他各部，仓皇西撤。山城堡伏击战取得了辉煌的胜利。此役歼敌一个旅又两个团，共计1.5万余人，基本上歼灭了胡宗南第一军的主力第七十八师，红军在扭转劣势的同时，大大震慑了“西北王”。

山城堡战役的胜利，挫败了蒋介石的进攻计划，大振了红军的军威，巩固了陕甘宁根据地。