1936年11月15日，毛泽东根据胡宗南第一军进攻的形势，两次致电朱德、张国焘，彭德怀，贺龙、任弼时，对集结红一、二、四方面军准备与胡宗南部作战作了部署，指出：“蒋介石仍坚决打红军，与南京妥协一时难成，我们应坚决粉碎其进攻。”“胡宗南占领豫旺后之行动，两三天后即可明白。”“目前两三天内，四方面军即在甜水堡、保牛堡集结，二方面军在毛居井及以北集结，一方面军在环县西集结，各兵团鼓动作战准备，胡敌东进时消灭之。”18日，毛泽东与张国焘、彭德怀、任弼时、朱德、周恩来、贺龙联名发出《关于粉碎蒋介石进攻的决战动员令》，指出：“当前的这一个战争，关系于苏维埃，关系于中国，都是非常之大的。”要求各军团军事、政治首长要转告全体指战员，要以最坚决的决心、最负责的忠实与最吃苦耐劳的意志去执行，每人都用自己的决心、忠忱与意志，服从命令，英勇作战，克服任何困难，并准备以连续的战斗粉碎蒋介石的进攻，以此作为三个方面军会合于西北苏区后，献给苏区人民的第一个礼物。
11月19日，彭德怀到山城堡前线主持召开前敌总指挥部会议，拟定山城堡作战部署，命令红一、二、四方面军各部迅即构筑工事，待机歼敌。20日，胡宗南部丁德隆师进占山城堡等地。当天，毛泽东致电彭德怀，通报了胡宗南部陷在困难中及其行动的情况，指出：“我以集结四个军从其右侧后打去最好，四军则从正面吸引之。”“打时，以首先消灭其一师、取得确定胜利后再打第二仗为原则。”这时，周恩来代表中共中央到前线慰问部队，应彭德怀的要求，留下共同指挥作战。
11月21日，彭德怀、周恩来指挥设伏的红军，突然向从山城堡东出的丁德隆师发起攻击，将其大部压迫在山谷中，经过一天激战，全歼该师一个旅又两个整团，取得了三大主力红军会师后的第一次大捷。进攻盐池的国民党军一部也被红二十八军击溃。这次战斗，迫使胡宗南部全线后退，基本上停止了对西北苏区的进攻。22日，毛泽东与朱德向参战的三个方面军指战员发出嘉奖令，指出：“这个胜利是粉碎蒋介石全面进攻的开始。”
山城堡战役是三大主力红军会师后取得的第一次胜利，成为结束土地革命战争的最后一仗，此役显示了红军团结战斗的威力，对于挫败国民党军队的进攻，巩固西北根据地，促进逼蒋抗日方针的实现，起了积极的作用。