4月15日，毛泽东致电彭德怀、贺龙、习仲勋，做了《关于西北战场的作战方针》的指示，要求采用“蘑菇”战术，将敌拖得筋疲力尽，然后消灭之。彭德怀按照毛泽东的指示，牵着胡宗南在陕北转圈。羊马河战役后，胡宗南发现西北野战兵团主力在瓦窑堡以南地区，乃令整编第一军、整编第二十九军迅速进至瓦窑堡东南，企图围歼西北野战兵团于此。此时，西北野战兵团已转移至瓦窑堡至清涧大道以南地区隐蔽待机。胡宗南在寻找西北野战兵团主力的行动中，为防止再遭伏击，只走山路，不走大道，结果“旅行”数日，处处扑空，陷入兵疲粮缺的困境。此时，解放军晋冀鲁豫野战兵团第四纵队等部在晋南地区攻势正酣，严重地威胁着胡部侧背。胡宗南被迫令整编第一军和整编第二十九军于4月17日南下永坪、蟠龙地区休整补充。西北野战兵团乘机于新岔河地区歼其一部计2000余人之后，主力继续在永坪东北地区等待时机。
此时，蒋介石获悉中共中央及解放军主力已开始陆续东渡黄河，遂令胡宗南主力迅速北上，并令榆林邓宝珊第二十二军南下配合，企图南北夹击将西北野战兵团歼灭于葭县（今佳县）、吴堡地区。胡宗南按照蒋介石旨意，集中整编第一、第二十九军共9个旅的兵力，于4月26日由蟠龙、永坪地区分两路向绥德前进；第二十二军及胡宗南部第二十八旅同时由榆林向米脂、葭县开进；以一六七旅部率一个团及陕西民团第三总队守备补给基地蟠龙。
根据敌情变化，4月27日彭德怀等致电毛泽东，提出：“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，得手后，再围歼甘谷驿、桥儿沟八十四旅的二五一团，并彻底破坏永延段公路。”毛泽东于28日立即复电，批准这一计划，指出：“让敌北进绥德或东进清涧时，然后再打蟠龙之敌。”据此，西北野战兵团立即调整部署，以第三五九旅一部，并从每个主力旅中抽出一个排，配合绥德军分区部队及晋绥独立第五旅，佯装主力，大张声势，徐徐北去，以诱敌北上。同时，集中第一纵队和第二纵队独四旅及新编第四旅共4个旅围攻蟠龙守敌；以第三五九旅主力于清涧以西，监视和阻击绥德、清涧可能回援之敌；以教导旅于青化砭以北，阻击青化砭地区可能进犯之敌。
蟠龙是国民党军在陕北的重要补给基地。胡宗南部依据该镇外围的复杂地形和高地，构筑碉堡群、深沟宽壕以及敷设多层障碍物，组成坚固的防御阵地。这对缺乏攻坚装备，又缺乏攻坚经验的西北野战兵团来说，要攻克这样的阵地，困难是相当大的。西北野战兵团各攻击部队于4月30日前隐蔽到达指定地点后，即举行军事民主会议，反复研讨作战方案，积极进行战术、技术准备。经过充分准备后，5月2日午夜即向守敌发起突然攻击。攻击部队逼近敌前沿阵地，并以抵近火力有效地压制和破坏敌火力点。同时，连续爆破排除了众多障碍物，并组织小部队多路穿插迂回，攀登悬崖绝壁，直插敌防御纵深。战斗持续到4日，西北野战兵团攻克了蟠龙以东、以北之主阵地及蟠龙外围制高点。当日黄昏，各攻击部队依据制高点直扑蟠龙镇中心，迅速结束了战斗。此役全歼守敌整编第一六七旅等部6700人，俘少将旅长李昆岗、少将副旅长涂建、少将旅参谋长柳届春等军官，缴获大量粮食和军用物资。西北野战兵团伤亡1549人。这时，胡宗南急令其主力掉头回援，而西北野战兵团则撤到安塞休整。此役连同青化砭战役、羊马河战役以“三战三捷”著称于战史。