截止1947年底，国民党军在西北（除新疆外）尚有39个整编旅，约23万多人，但由于接连损兵折将，其战斗力已大大削弱。其中，胡宗南集团为力量最大的一支，拥有9个整编师28个整编旅。由于长期作战，其兵力不敷的矛盾日益突出。在蒋介石的严令催逼下，胡宗南被迫先后抽调部分兵力用于豫西、晋南等地，企图策应河南战场，打通陇海铁路潼关至郑州段，并封锁黄河，以守关中；部署在陕甘宁边区周围的兵力仅为17个整编旅，多分地驻防，可供机动使用的兵力只有整编第二十九军（驻洛川、中部一带），因而只能采取守势，以机动防御姿态确保延安并阻击解放军南进。
1948年1月，中共中央、中央军委根据全国战局的发展，决定西北野战军主力自陕北南进，发起春季攻势，首先歼灭咸延公路两侧敌之有生力量，粉碎胡宗南的机动防御部署，解放黄龙山区，而后以此为依托向南发展，威胁关中和西安，兼以调动胡宗南援豫兵团回援，策应陈谢兵团等经略中原。
为完成上述战略任务，西北野战军司令员彭德怀决定采取攻敌必救、围点打援的作战方针，首战攻击宜川县城。宜川是胡宗南军机动防御的重点，进可攻击陕北，守可扼黄龙山区要冲。宜川的弃守，关乎胡军全局。同时，该地守敌力单势孤，是胡军防线的薄弱环节，宜于解放军设伏打援。
2月5日，西北野战军司令部从吕家沟出发南下，各纵队也同时开始行动，取道延安以东，直扑黄龙山区。在晋南曲沃一带整训的第二纵队也向河津地区集结，准备西渡黄河参战。西北野战军南进途中，于17日在延长的佛古原召开旅以上干部会议，讨论宜川作战方案和进入国统区的政策问题。会议根据情报，决定先以一部急攻宜川县城，诱调胡部整编第二十九军东进驰援，西北野战军则集中优势兵力选择有利地形设伏，而后，速战速决全歼援敌并夺取宜川城。“消灭整编第二十九军，活捉刘戡”，成为全军的战斗口号。
20日，彭德怀发布作战命令。22日，第三、第六纵队开始攻击前进，并于24日包围了宜川县城。至27日，已先后攻占老虎山、虎头山和外七郎山等外围防御阵地多处，将守敌压缩至城内。与此同时，第一、第四纵队进抵指定地域待机；第二纵队于23日自禹门口强渡黄河后，向宜川地区急进。
宜川守敌受攻后惊慌失措，请求救援。胡宗南一面严令坚守宜川城，一面急电整编第二十九军军长刘戡率部火速东进援宜。26日，刘戡率领所部整编第二十七、第九十两个师，共4个旅8个团的兵力取捷径从洛川经由瓦子街东进。西北野战军准确获悉援敌动向后，立即按预定作战方案行动：第三和第六纵队除各留一部继续围攻宜川以引诱援敌深入及严防守敌突围外，另集中全军主力9个旅的兵力，迅速向瓦子街以东洛（川）、宜（川）公路两侧高地开进，隐蔽设伏，待机打援。
28日，整编第二十九军通过瓦子街后继续东进，当刘戡察觉该处地形险峻易遭伏击后，立即派出部队抢占公路两侧高地，搜索前进。下午2时，其先头部队在任家湾、丁家湾地区遭到解放军猛烈阻击。这时刘戡认为此系解放军小部队骚扰，加之胡宗南不停催逼，便令所部攻击前进，以期速与宜川守军会合。由于沟底公路狭窄，其部队拥挤不堪，行动极为迟缓，加以天气骤变，突降大雪，刘戡当即决定全军就地宿营。并将前锋撤回，紧缩部署，构成一个环形防御阵地。而西北野战军各部则乘夜隐蔽逼近，布置口袋阵。
29日凌晨，当解放军第一纵队查明胡军后卫已全部通过瓦子街后，立即进攻瓦子街，扎紧了口袋底，而正面阻击部队也迎头截断敌军的去路。各纵队从其后尾以及两侧同时发起猛烈进攻，敌军顿时大乱。至此，刘戡方有所悟，急忙集结兵力突围，一面严令夺回瓦子街，一面派兵抢占瓦子街东南制高点。而后者正是西北野战军战线中的一个空隙（第二纵队因雪滑路远尚未赶到预定阵地）。此时，一纵首长临机决断，急调第三五八旅主力迅速抢占东南高地，顽强坚守各制高点，接连打退敌人10多次反扑，为第二纵队进抵战场赢得了时间。黄昏前，西北野战军已完成对援敌的四面合围，并逐步压缩了包围圈。3月1日黎明前，彭德怀下达了总攻命令。黎明后雪停天晴，解放军向整编第二十九军发起了总攻。第一纵队沿公路由西向东，第二纵队由南向北，第四纵队由北向南，第六纵队（缺两个团）由东南向西北，第三纵队（缺一个旅）由东北向西南，从四面八方杀入敌阵，分割围歼。到下午4时，公路两侧刘戡军的临时阵地全部被占，压入沟底的敌人混乱不堪，死伤枕籍，许多官兵纷纷缴械投降。至17时，战斗结束，胡宗南部整编第二十九军全军覆没。解放军生俘刘戡军1.8万余人，毙敌5000余人，首创一战全歼胡宗南部一个整编军的辉煌战绩。其中，中将军长刘戡自戕，中将师长严明、少将旅长李达、周由之等被击毙，中将师长王应尊（后潜逃）、少将军参谋长刘振世、少将副师长李奇亨等将校多人被俘。
3月2日，攻城部队又对宜川守敌发起总攻，连续夺取了七郎山、凤翅山等险要阵地。解放军一面猛攻，一面动员俘虏阵前喊话，残敌军心动摇，陆续缴械投降。至3日8时，守敌整编第二十四旅及地方反动武装全部被歼，共毙伤2000余人，俘少将旅长张汉初、国民党县长高执昌以下官兵3200多人。至此，宜瓦战役胜利结束。
西北野战军此战旗开得胜，歼灭国民党军一个整编军又一个整编旅（共5个整编旅），创造一战歼敌近3万人的空前记录。宜瓦战役是西北野战军在西北战场上进行的一次大规模的歼灭战，也是西北野战军进行外线作战的一个大胜仗。此役，解放军敲开了渭北关中的门户，胡宗南为保西安老巢，不得不急调其援豫兵团回援陕中，为中原解放军联合发起洛阳战役创造了有利战机。
3月3日，中共中央电贺西北野战军取得宜瓦大捷，勉励全军指战员为解放大西北英勇战斗。7日，毛泽东以人民解放军总部发言人名义发表重要谈话《评西北大捷兼论解放军新式整军运动》，盛赞宜瓦大捷改变了西北的形势，并将影响整个中原的形势。10日，边区各界隆重举行万人祝捷大会，向毛泽东和前线将士发出致敬电。