一次猛攻没有成功，正准备发动第二次猛攻时，周恩来指示：敌人已成瓮中之鳖，暂缓攻击，围而不打；寨子里既没粮，又没水，他们总是要逃跑的，争取在其突围时把他们消灭干净。

    这一招真灵。牛元峰蹲在寨子里，一个电报接一个电报发出去，要求五十七军代军长董英斌马上派兵前来解围。董英斌派出第一〇六师、第一一一师由黑水寺前来增援，没到半路上就遭到红一军团主力和红十五军团两个营迎头痛击，被打得焦头烂额，调头便跑。红军则乘胜追击，在张家湾至羊角台途中歼灭了第一〇六师六一七团。在待援无望、缺粮少水的情况下，23日半夜，牛元峰率残部向西突围逃跑。红十五军团随即跟踪追击，战士们说：一定要把这条“牛”追回来。红十五军团战士一口气“追牛”25里，将牛元峰残部一个营全部歼灭。这时牛元峰身边只剩下了两个手下，红军越追越近，在后面高喊“缴枪”。牛元峰眼看自己快要成为红军的俘虏，沮丧地抽出腰上的手枪，试了几次，却又不敢向自己的脑袋开枪，于是就把手枪交给副官说：“你把我打死。”副官接过手枪，照牛元峰右后脑打进一颗子弹，这头“牛”顿时面颊炸碎而死。

    至此，直罗镇战役胜利结束。山坡上、镇子里，到处堆积着缴获的枪支弹药，到处聚集着被俘虏的国民党官兵。胜利的喜悦，洋溢在每个红军战士心里。

    回师路上，特派员欧致富要陈赓坐着担架回去，陈赓说什么都不肯坐，命令两名担架队员去抬其他伤员。他风趣地说：“你要知道，抬上阵光荣。抬下阵呢？人家说你是‘败将’。多难听呀！再不坐了！”

    直罗镇战役，全歼国民党军第一〇九师全部和第一〇六师1个团，俘敌5300余人，打死打伤1000余人，缴获大批武器装备。红军指战员在战役结束后全部穿上了棉衣。直罗镇战役粉碎了蒋介石对陕甘苏区的第三次“围剿”，迫使敌一〇八师、一一一师退回甘肃境内，东路侵入羊泉源的一一七师也被赶出鄜县（今富县），陕北苏区得到巩固和扩大。

    11月30日，红一方面军在直罗镇东村教堂召开了庆祝会师和直罗镇战役胜利大会。毛泽东兴奋地说：“直罗镇一仗，中央红军同西北红军兄弟般的团结，粉碎了蒋介石对陕甘边区的‘围剿’，给党中央把全国革命大本营放在西北的任务，举行了奠基礼。”