为了贯彻瓦窑堡会议制定的战略方针，并以实际行动表示红军的抗日决心，1936年1月17日，中共中央政治局在瓦窑堡召开的常委会议，毛泽东在会上作关于目前行动方针与计划的报告。会议确定了东征的行动方针和组织分工问题，决定毛泽东、张闻天、彭德怀、张浩、凯丰随红军主力行动；周恩来、博古、邓发组成中央局，周恩来任书记，主持后方工作；王稼祥病愈后可参加会议；刘少奇奉命去华北开展工作。1月19日，毛泽东与周恩来、彭德怀以西北革命军事委员会主席、副主席名义发出《西北革命军事委员会东进抗日及讨伐卖国贼阎锡山的命令》：命令抗日主力红军即刻出发，打到山西去，开通抗日前进道路，同日本直接开火；命令陕甘苏区的抗日红军和游击队、赤卫军、少先队，坚持保卫陕甘苏区、扩大陕甘苏区这个抗日战争的根据地；命令黄河两岸的抗日红军、游击队和民众，奋勇过河东去，在河东发展抗日根据地，配合红军主力打大胜仗。为严守行动秘密，该命令直至2月12日红一方面军主力东渡黄河前才公布。
1月31日，毛泽东从瓦窑堡出发，经延川到达延长县城红一方面军司令部。在这里毛泽东主持召开军委扩大会议，进一步讨论战略方针和东征战役问题。毛泽东在发言中强调东征讨伐国民党军阎锡山部无论在政治上军事上都对我们有利。我们执行的是在发展中求巩固的方针，希望通过东征建立一块根据地，与西北根据地连接，也解决红军的给养和扩大等问题。并在补充发言中指出：一定要保证黄河各渡口在我手中，使我进退有据。
2月，中共中央决定组成以彭德怀任总司令、毛泽东任总政委的中国人民红军抗日先锋军进行东征。2月17日，中华苏维埃共和国中央政府发布了《东征宣言》，庄严宣告红军“为实现抗日，渡河东征”。2月上旬，毛泽东到达清涧县高杰村袁家沟一带侦察渡河准备情况。在督促东征渡河准备工作期间，遇大雪，目睹银装素裹的壮丽河山，毛泽东作《沁园春·雪》词：
2月18日，毛泽东同彭德怀在袁家沟发布东征作战命令。2月20日晚八时，东征战役开始。红一军团、红十五军团1.3万人分别从陕西省绥德县沟口、清涧县河口等地强渡黄河，一举突破阎锡山晋绥军的防线，占领了山西境内三交、留誉、义牒等乡镇在内的纵深35公里，横宽50余公里的地区。接着，抗日先锋军向东进攻，经石楼、隰县、关上村等战斗，至27日，共歼灭和击溃晋绥军5个团，俘1200余人，控制了石楼、中阳、孝义、隰县之间的吕梁山区。
红军的东征行动，遭到阎锡山部队的阻拦。阎锡山一面急电蒋介石，请求发兵增援；一面集结机动部队近14个旅的兵力，分4路由隰县向北，介休、汾阳向西，中阳向南进行反击。
3月1日，为了扩大红军东征的政治影响，宣传红军的抗日主张和有关政策，毛泽东和彭德怀联名发布《中国人民红军抗日先锋军布告》，号召一切爱国志士与红军联合一致抗日。并指出，红军东征的目的是为了抗日，红军保护爱国运动，保护革命人民，保护工农利益，保护知识分子，保护工商业。
3月8日，中共中央在孝义县大麦郊召开政治局扩大会议。会议分析了东渡黄河以来的政治、军事形势，调整了东征战役的战略部署，决定在兑九峪（今兑镇）一带集中兵力重创晋绥军。3月10日，红一军团、红十五军团主力由郭家掌、大麦郊地区出动，向兑九峪一带晋绥军发起攻击，将其第二、第三两个纵队击溃，粉碎了阎锡山组织的第一次反击。
兑九峪战斗后，阎锡山纠集四个纵队的兵力重新向红军发起反击。这时，国民党中央军六个师陆续进入山西，分别向灵石、平遥、介休、侯马地区开进，增援阎锡山。鉴于各路敌人集中向石楼方向反击，减弱了太原和晋西南、晋西北的防守兵力。3月12日，毛泽东在大麦郊召开红一方面军团以上干部会议，对下阶段的行动作了部署。会议决定兵分三路：以总部特务团和黄河游击师组成中路军，转战隰县、交口、石楼、永和一带，牵制晋西方面的敌军；以红一军团全部及红十五军团第八十一师主力组成右路军，沿汾河和同蒲铁路南下作战；以红十五军团主力两个师为左路军，北上直逼太原向晋西北行动，并掩护红一军团南下。
3月16日，右路军红一军团及第八十一师南下，突破敌汾河堡垒线后，沿同蒲路急进，先后攻占了霍县、赵城、洪洞、临汾、襄陵、曲沃等广大地区，并攻占襄陵县城，破坏同蒲铁路（大同至风陵渡）150余公里，扩大红军3000余人，筹款7万余元。3月18日，左路军从灵石以西地区北上，经文水、交城地区，逼近太原附近的晋祠。阎锡山急调重兵防守太原，阻拦红军。左路红十五军团主力于26日经岔口镇、岚县向兴县方向前进，尔后转向康宁镇，同在罗峪口渡黄河的红二十八军会合。与此同时，中路军与敌周旋，有效地牵制了敌军主力，配合了主力红军的进攻行动，并在石楼、中阳、孝义、隰县之间的广大地区开展群众工作，扩大红军。
红军主力分兵南下北上后，3月24日，蒋介石委派陈诚为国民党军太原绥靖公署第一路总指挥，由其率领入晋的国民党中央军编成的第五、第六、第七三个纵队援助晋绥军作战，企图封锁黄河，分别围歼红军于黄河以东地区；同时，蒋介石命令黄河以西的张学良、杨虎城出兵延长、延川一带，企图封锁黄河，消灭红军，摧毁西北革命根据地。3月31日，刘志丹、宋任穷奉命率领红二十八军渡河参战。4月14日，在山西中阳县三交镇战斗中，红二十八军军长、北路军总指挥刘志丹不幸牺牲。
面对国民党军的围攻，红一方面军决定左右两路红军向中路红军靠拢，集中兵力，相机歼敌。4月4日，右路红一军团和第八十一师，由古城、汾城（今襄汾）等地北上，攻占吉县，进至大宁、蒲县、隰县地区，逐一扫除了平渡关至清水关晋军黄河沿岸的堡垒；左路红十五军团，经白文镇、圪洞镇、金罗镇，于4月12日在师庄地区歼晋军第六十六师一个团及一个炮营，击溃三个团，俘团长以下600余人，尔后转至大麦郊镇休整。
3月20日至27日，中共中央政治局先后在晋西大麦郊上贤村、隰县石口和石楼城西南端四江村连续召开会议（通称为晋西会议），讨论军事战略方针等问题，并决定中共中央不再随东征红军行动。
晋西会议是瓦窑堡会议的继续。晋西会议使全党全军更加明确了党的抗日统一战线的战略方针与奋斗目标，进一步统一了全党政治和军事战略思想。这次会议，对于我党由“抗日反蒋”到“逼蒋抗日”的策略转变起着重要的推动作用。
4月中旬，山西境内各路晋军纷纷向红军围拢，同时，蒋介石又命令陕甘宁各省国民党军队，向红军西北根据地进攻。鉴于双方在山西的军事力量对比发生重大的改变，红军决定回师陕北。5月2日至5日，红军白天休息，晚间分批经清水关、铁罗关西渡黄河回陕西延长、延川一带。
5月5日，毛泽东、朱德以中华苏维埃共和国中央政府主席、中国人民红军革命军事委员会主席的名义，向南京政府及其海陆空军队等发出《停战议和一致抗日通电》。同日，毛泽东同彭德怀致电各兵团首长，要求各部以10天为教育部队、总结经验及准备新行动的时间。各部队依照自己的情况，立即定出军事教育、政治教育、整理组织及总结在山西作战经验的具体办法。还规定了红军的政治口号及在10天内由军委召集一次方面军团以上干部大会，由军团及军召集一次庆祝胜利并追悼刘志丹同志大会。
这次东征历时两个多月，虽然因军事形势变化而没有能完全达到预期目的，但无论在军事上还是政治上都取得了重大的成功：消灭国民党军七个团，俘敌（包括阎部团长郭登瀛）4000余人，缴枪4000余支，炮20余门；取得渡河作战的经验，提高了部队的战斗力；迫使原来侵入陕北的晋绥军撤回山西，巩固了西北根据地的东部地区；红军增加新兵8000多人，筹款30多万元；在山西二十多个县开展群众工作，宣传党的抗日主张，建立了一些抗日游击队和游击区，为以后开辟抗日根据地打下了基础。
5月14日，毛泽东在延川太相寺召开的红一方面军团以上干部会议，作关于目前形势与任务的报告。报告总结了东征的经验，指出：这次东征，打了胜仗，唤起了人民，扩大了红军，筹备了财物。