而刘伯承则针锋相对，一方面命令部队加紧攻城，吸引敌人向长治靠拢，一方面调兵遣将向老爷山集结，迫使敌人落宿荒野，一举歼灭。
十月二日，彭毓斌率领的援兵终于被八路军合围于老爷山、磨盘垴地区，并被迫仓促应战。
一场激烈的阵地争夺战打响了。陈赓所部负责攻打老爷山，陈锡联负责攻打磨盘垴。敌人居高临下，依山筑工事，山地不利土工作业，仰攻又甩不上手榴弹，部队屡攻不下。
这时，虎将楚大明率二十团通过悬崖峭壁，从老爷山东侧迂回到北侧，突然出现在主峰东北高地上，一举占领了有利地势，待敌人发觉，楚大明已把枪口对准了敌人的胸口。依据有利地势，利用敌人的武器弹药，楚大明率部一次次击退了敌人的轮番强攻。
陈赓率主力在山下大喊：“你们绝粮断水死路一条，快投降吧！”
敌人被搅得军心大乱，人心惶惶，争先恐后，人喊马叫，开始无秩序地向沁县撤退。
这时，陈赓接到刘伯承的电令：“你们的任务不仅仅是拿下上党，而且要把敌人彻底消灭掉，让阎老西从此不敢再把爪子伸过来，做毛主席重庆谈判的强有力的后盾！”
陈赓立即命令部队：“停止收缴武器，我们的任务是抢到敌人前头，追击敌人，干净彻底地消灭之！”
一场血战，随即展开。八路军太行、太岳、冀南及鲁西南的主力部队都参加了这次围剿战斗，鼓毓斌也孤注一掷，把全部人马投入战斗。直属队、政工队、杂务人员全部参战，争夺每个山头、每道防线。陈赓在指挥部直接看到了这场残酷的战斗：满山遍野浓烟滚滚，火星四溅，硝烟由红变黄，由黄变黑，火球飞落在每个争夺山头、深沟之间。双方火力十分猛烈，炮声、枪声、手榴弹爆炸声响成一片，震天动地；炮弹片，石头片铺天盖地；人声、马声、冲杀声回响山谷。
太行部队老九团冲锋在前，在作战中心拼杀，在烈火呼啸中，同敌人交织在一起刺刀见红。敌我尸体横陈山野。陈赓在指挥所里能直接闻到被烧焦的尸体散发出来的浓烈得让人顺不过气来的焦煳味儿。整个战场的交手战、肉搏战此起彼伏，整个战斗打了三天两夜。打到十月七日早上，才逐渐平静下来，至此，阎军两万余人，除被歼灭者外，残部都向太原方向逃窜，妄图重返太原。至襄垣土落地区，被陈赓设在该地区的三八六旅拦截全部歼灭。炮兵司令胡三余及师长李佩膺、张宏、郭溶等以下官兵，大部被俘。
彭毓斌带伤逃到武乡，一边包扎伤口，一边在电话里向阎锡山报告战败经过。阎锡山不待他说完厉声斥道：“彭毓斌，彭副总司令！你畏敌怯战弃军先逃，该当何罪？”不等阎锡山骂完，彭毓斌悔恨与羞愧交加，扔下电话，拔枪自杀了。这边枪声一响，电话另一头的阎锡山仿佛面门上也中了一枪，重重跌坐在椅子上。
困守长治，渴望援军解围的史泽波，得悉援军全部被歼，像泄了气的皮球，完全丧失了防守的信心。
急得满屋乱转的阎锡山大声向参谋口授电报：“长治，史泽波，趁我主力尚未南返之际，赶快撤离长治向西突围。”
史泽波接到阎锡山“赶快撤离长治向西突围”的急电，慌忙弃城而逃。殊不知阎锡山的这步棋早在刘、邓意料之中。陈赓根据刘、邓指示，命令三八六旅和决死一旅不顾疲劳，向翼城以东疾进，堵击逃敌。三昼夜的急行军，我军追上了逃敌。敌人陷入我三面包围之中。战斗两个小时，除少数先头部队逃跑外，其余敌人全部被歼。
乱军之中，史泽波和六十八师师长郭天辛、军参谋处长戴澍璋换上士兵服装，带着一名卫士、一名电话兵避开八路军，偷偷摸摸在沁河下游徒步过了河。五个人步行二十余华里，天色已黑，大家又饿又累，见路旁有一座颓破无人的小庙，遂入内休息。
半夜里，一队押送俘虏的八路军在此路过，发现庙里有人，遂命令庙里的人出来，几声喊叫后，五人规规矩矩缴枪投降，汇入了俘虏队伍。
天亮后，五十七团七连支书宋忠贤清点俘虏时，一名俘虏指着前面悄悄说：“我立功，我检举。史军长在那里！史军长在那里！”
宋忠贤一听，当即拔出盒子枪，带人直朝俘虏指点的方向扑去，枪口对着俘虏们一声大喝：“谁是史泽波？”
“小老弟，小心别走了火，史泽波是我，我是史泽波！”一个年近五十操河北口音的黑瘦军官从容答道。
半路上，史泽波说他烟瘾犯了，赖在地上一步也不肯走。
无奈，宋忠贤只好找来一块门板，让八名俘虏兵轮流抬着他，当天把史泽波交给了旅部。
陈赓亲自接见史泽波，同他作了交谈。
陈赓问：“你认为你们这次作战失败的原因是什么？”
史泽波感慨地说：“八年抗战中，贵军在上党地区和日军作战，日军投降后，我们来抢占地盘是不对的，不过，没想到失败得这样快，真是天助你们！”
“你讲对了！《水浒》说梁山泊的好汉们‘替天行道’，我们也是‘替天行道’。希望你们今后能为反对蒋介石、阎锡山发动内战作些贡献！”
陈赓的话，打动了史泽波的心。后来，他领衔联合上党战役被俘的高级将领，发通电揭露蒋介石挑起内战的罪行。
上党一役，仅陈赓指挥的太岳纵队，就歼敌一万四千多人。经此一战，阎锡山数年培植起来的精锐之师，折损过半，迫使蒋介石在《双十协定》上签了字。
上党一役的胜利，也使身在重庆的毛泽东获得了谈判的主动权，他高兴地对周恩来说：“伯承下了一场及时雨。”
毛泽东回到延安，对上党之役高度赞扬。
他说：“太行山、太岳山、中条山的中间，有一个脚盆，就是上党区。在那个脚盆里，有鱼有肉，阎锡山派了十三个师去抢。我们的方针也是老早定了的，就是针锋相对，寸土必争。这一回，我们‘对’了，‘争’了，而且‘对’得很好，‘争’得很好。就是说，把他们的十三个师全部消灭。他们进攻的军队共计三万八千人，我们出动三万一千人。他们的三万八千人被消灭了三万五千人，逃掉两千，散掉一千。这样的仗，还要打下去。”（1）
上党一战，不仅歼俘敌众多，缴获的东西花样多得来也让人眼花缭乱。大山深沟里出来的土八路，一下子改编为野战军，脱胎换骨，焕然一新了。人员得以补充，武器得到调换，老套筒换成了步枪，掷弹筒换成了大炮，军装按职务款式得到更新，过去夏季只发一套单军衣，冬天只发一件棉军衣，里边没有衬衣，为御寒，都是拦腰束一条宽皮带。而现在，除上下一身崭新军装外，帽子、鞋袜、衬衣、**也是里外一新。正连级以上的干部，换成了四个兜，当官当兵，一眼便能分辨出来。官兵们兴高采烈，士气十足。都说这一仗打下来，部队猛一下跃上了好几个台阶。
不过，上党战役也有遗憾，由于阎锡山与日本人的谈判尚无结果，原本可以参加上党之战的日军第十四旅团，却接到山冈道武的命令，向太谷一线撤退。
长期驻防沁县的该旅团布川大队，接到旅团长元泉馨的命令，掩护全旅团安全撤离后，再最后撤出沁县城。
第二天上午，就在布川大队收拾行装，准备撤出沁县城之际，刚刚连夜兼程赶到沁县城外的八路军某团，派出军使，前往日军司令部，命令布川大队长立即缴出武器装备，率部向八路军投降。
布川稍一思忖后，痛快地同意了——然而，这是个恶毒的阴谋。
“我方答应接受其要求时，八路军信以为真，并放心大胆地进入城内。由于看准了这个机会，布川大队对八路军进行了突然袭击，打死其团长以下多人，并带着武器撤退到了太谷。”（引自城野宏自述《保卫山西——日籍部队戡乱作战始末》）
（1）笔者注：引自《毛泽东选集》合订本，第一一五六页。