“我决以勇猛速决的动作夺取长治城，最后歼灭侵入上党地区之敌，决定由城东、南、西三面同时攻击。放开北关至城东北角，引诱敌军外窜，而于野战中歼灭之。攻城的具体部署：以冀南部队并指挥潞城独立团进攻东至南关段，入城后则消灭沿东城墙长方形内之敌军；太行部队进攻长治南关，入城后则消灭西南隅方形内之敌军……”
9月24日，中共中央军委电示刘邓：
“阎顽之四十九师、六十六师、五十师于22日由子洪镇南进，计24日可抵沁县城。该顽增援上党固守，或救出十九军、六十一军残部出险，其企图尚不明。提议仍以一部积极围攻长治，主力部署于虒亭、夏店、电留地区，乘其在运动中首先消灭阎之增援部队，被困于长治之敌亦町消灭。猛攻长治诱援敌南下，然后聚歼援敌于上党地区，再攻长治……”
长治城高堑深，工事非常坚固。阎军兵力部署为：第六十九师守卫东城，第六十八师守卫西城，保安第九团防守北城，暂编第三十七师防守南城，总兵力达11000余人。
攻城战斗首先从城南五马地区开始。冀南纵队陈再道部经过三天准备，有若待发之强弩，官兵个个摩拳擦掌，斗志昂扬。9月24日黄昏，随着三颗红色信号弹腾空而起，6000余精兵如山洪暴发，锐不可挡。守军国民党第三十七师1个团虽有坚固工事为依托，仍抵挡不住势若潮涌的八路军，第一线阵地仅十几分钟即告突破。阎军1个加强排凭借琉璃阁制高点拼死顽抗，以机枪火力疯狂扫射。当地民兵小分队利用熟悉地形的优势，冒着横飞的弹雨，巧妙接近琉璃阁，使这个排的敌人坐了“土飞机”。至午夜，冀南纵队攻占了南关。
9月25日，太岳纵队陈赓部一改八路军夜战的习惯，拂晓后即发起攻击。守军国民党第六十八师1个团从睡梦中惊醒，仓皇应战，被打得晕头转向。八路军一举夺取了北关。
失了北关，长治就失去了最重要的支撑点。史泽波急得像热锅上的蚂蚁，严令第六十八师全力夺回北关。
阎军第六十八师会集溃退之兵，从北门倾巢而出，开始争夺北关阵地。陈赓亲临火线指挥。双方在北关南部展开激烈的拉锯战。战至黄昏，北关仍牢牢地控制在八路军手里。
第二天拂晓，史泽波改派其王牌暂编第三十八师再度展开对北关的争夺战。史泽波对杨文彩说：
“北关是长治这条船的跳板。进可赖以突围北上，守可凭此迎接援军南下。北关既失，我们就只好在这条‘船’上等死，你一定要把它给我拿回来。”
“军长放心！”’杨文彩在军中素以蛮勇著称，他手提一把日本军刀，拍着胸脯说：“我不夺回北关，提着脑袋来见你。”
史泽波拍着杨文彩的肩膀，说：“拜托了。我把迫击炮在城墙上一字排开，支援你的行动。”
杨文彩提着军刀挥师出城，激烈的战斗在旭日东升的同时进入高潮。史泽波登上城楼，亲自指挥炮兵猛轰八路军阵地。护城河一带的民房几乎被炮弹夷平了。
这是八路军在上党战役中受到最顽强的抵抗，双方交锋，异常惨烈。为了避免不必要的伤亡，八路军主动撤离了北关。
听到杨文彩部基本夺回了北关，史泽波长长地舒了一口气。然而，他正要离开城门楼，八路军的炮火已经开始报复性的轰击了。一发炮弹不偏不倚落在北门城楼，史泽波被爆炸的气浪掀得跌了一跤，卫兵慌忙把他扶走。
9月28日，上党地区的天气骤然降温，秋雨绵绵。史泽波在长治城困兽犹斗，度日如年。彭毓斌督率着他的怨声载道的部队继续蜗行南下。
当天中午，刘伯承、邓小平在长治马场召开紧急军事会议。刘伯承说：
“长治守敌比我们预想的要顽强，北关的仗打得如此激烈，超出我的想像。我们要硬攻拿下长治，恐怕要付出较大的伤亡代价。我刘伯承不打这样不划算的仗。现在敌情有变化，阎锡山派的两军的援军由彭毓斌率领，已到达漳河一线。我决定缓攻长治，围城打援！”具体部署是：以太行纵队全部和太岳纵队主力兼程北上，结合原担任监视白晋线之敌的起义部队第十七师约2万人，预伏于虒亭以南自晋线上的常隆、上村段两侧；以太行纵队附第七师为右翼队，以太岳纵队主力附太行纵队1个支队为左翼队，以太岳纵队1个团为独立支队，尾敌援军跟进；留冀南纵队全部，太岳纵队一部及地方兵团伪装主力，继续包围和佯攻长治，以吸引援敌继续南下，并准备歼击由长治出城接应之敌。
长治城仍在枪炮声中混乱不堪。史泽波已成惊弓之鸟，他没有察觉八路军主力已经“明修栈道，暗度陈仓”。
彭毓斌为了解长治城燃眉之急，决定变更行军路线，改走捷径。
9月30日，阎军突然离开自晋公路，准备拐道渡过漳河，沿虒亭公路，通过老爷山、磨盘垴，经余吾、屯留逼进长治。
刘伯承、邓小平查明援敌弃白晋路，而改走地形复杂的虒亭山，不禁喜出望外，刘伯承说：
“彭毓斌自找坟墓，自投罗网。老爷山、磨盘垴一带极易设伏，正是打歼灭战的最佳地点。”
10月2日，八路军先头部队于屯留西北之王家渠、白龙坡至井道一线与敌遭遇。彭毓斌下令猛攻。刘邓当即决定主动放弃老爷岭阵地，给彭毓斌造成“一触即溃，掉头南逃”的假象。阎军一路追击前进，至老爷山一带，八路军在此布防，进行了有限的抗击，然后继续“南逃”。彭毓斌不知是计，反而洋洋得意，一步一步钻进了刘邓设好的包围圈。
当日晚上，被彭毓斌认为一路“望风而逃”的八路军突然反扑过来，任凭阎军使出浑身解数都抵挡不住。与此同时，彭毓斌接到情报，八路军已经从两翼迂回到他的背后，正在攻击尾部部队，他听了不禁直冒冷汗。
彭毓斌命令部队就近占领各制高点，构筑防御工事，准备居高临下与八路军决战。
阎锡山接到彭毓斌被围的电报后，并不在意，他对梁化之说：
“刘伯承的胃口也太大了，一面攻打长治城，一面又分兵围攻我援军。他在上党的兵力顶多两三万之众，而我援军就有两万之众，怕他做甚？”
“长官的分析虽然在理，但我们关键问题是省防军第二梯队能否迅速投于战斗。”梁化之忧心忡忡地说，“刘伯承所部兵力不多。但善于野战。我第二梯队若遇阻不能前往，彭部困守山头，极易陷入绝境。三国时，马谡失街亭的前车之签不可不察啊。”
阎锡山颔首称是，命粱化之起草一份十万火急的电报，令杨诚督率省防军第二梯队即日南下。
围歼彭毓斌的战斗于10月3日黄昏打响。八路军利用擅长夜战的优势，向阎军阵地发起猛烈冲击。阎军炮火优势在夜间无法施展，而八路军的手榴弹和刺刀却大显神威。
阎军一到白天，在炮火掩护下开始争夺夜间丢失的阵地。刘伯承命令各部以消灭敌有生力量为目的，不计较阵地得失。八路军在杀伤大量敌军后，往往主动放弃阵地，到了夜间又将其夺回。
陈赓部第二十团从老爷山一侧迂回，切断了阎军的水源。被围阎军无粮无水，军心动摇。阵地夜间失去得多，白天夺回得少，包围圈越收越紧。
这时候刘伯承才查明被围阎军不是原先情报中所说的3个师约7000人，而是6个师附2个炮兵团，共2万多人。好家伙，这可是一条大鱼！刘伯承不由得暗暗高兴，又暗暗吃惊：高兴的是，围住了这么多敌人，真是送上门来的“美餐”；吃惊的是敌军人数与八路军人数几乎相当，鱼大网小，弄得不好，鱼未死，网先破，这可有点玄哪！
作战处长说：“问题是我们手中没有预备队，‘巧妇难为无米之炊’呀！”
邓小平的目光是坚毅的：“目前情况看，老爷岭与长治不能兼顾，只好先顾一头。顾一头可能得两头，两头都顾，可能一头也捞不着。”
“对，鱼我所欲也，熊掌亦我所欲也，二者不可得兼怎么办？先吃鱼后啃熊掌。”刘伯承用兵往往袖手于前，决策于后。“下决心，把陈再道的冀南部队和太岳部队的决一旅调过来，兼程赶来老爷山，参加大会餐！”
最后他又补充道：“叫他们不必隐蔽，大张旗鼓，白天行军。”
“白天行军？”作战处长有些困惑不解。
“对，就是白天！”刘伯承微微一笑：“兵法上说‘示形于敌’嘛。”
邓小平诡秘地说：“史泽波看见了会高兴的，他不会跑掉。”
事后，作战处长才明白。这是刘伯承反唱《空城计》。诸葛亮使司马懿不敢进城，刘伯承使史泽波不敢出城。
陈再道部接到命令后分六路纵队，浩浩荡荡扑向被围攻之敌。彭毓斌在老爷山主峰通过望远镜，见八路军源源而来，心乱如麻，现在情况倒过来了，不是别人向他求救，而是轮到他向别人求救了。
10月5日黄昏，八路军对磨盘垴之敌发起总攻。阎军缺粮断水，饥渴难熬，加上连续苦战伤亡惨重，已经无法固守阵地。彭毓斌只好下令向关上村方向撤退。当时，老爷庙住满了伤员，为了减少拖累，彭毓斌竟残忍地下达了一道命令，将伤员全部枪杀了。
10月6日下午，杨诚率省防军1个师又1个团抵达榆林村，与彭毓斌的残兵败将会合。彭命杨掩护各部队向沁县突围。为了迷惑八路军，彭毓斌使了个金蝉脱壳之计，命令杨诚部继续向南攻击，作出南援长治的假象，他本人则率指挥机关和炮兵向北逃窜。
彭毓斌的如意算盘早在刘伯承的意料之中，他令太岳纵队第二十团抄小路急行军，赶在逃敌之前，抵达漳河渡口堵住了阎军北逃之路。阎军被八路军各路大军压缩在土落村一带，被一段段地分割歼灭。
太行纵队随即向屯留之敌发起攻击，经两日激战，攻克屯留县城，歼敌二千余人。
此后，刘伯承、邓小平转而分兵加速攻取长治外围各城，以孤立长治之敌。17日攻克潞城，19日夺取壶关、长子。
被困在长治城内的史泽波看到大势不妙，急电阎锡山派兵增援。据史泽波后来回忆：阎锡山在给史泽波回电话时，信誓旦旦地安慰他：“上党必争，潞安必守，援军必到，叛军必败。”
听到阎军增援上党，刘伯承、邓小平发出《晋冀鲁豫军区作战字第七号命令》指出：“阎伪八十三军三个师，约七千人，于9月27日到沁州，其先头部队四个团，于28日12时进抵新店，有继续南下模样。”对此，刘伯承、邓小平决定用“围城打援”的战术歼灭该敌。
10月初，刘伯承、邓小平将司令部推进到屯留县贺家岭村，这里距老爷山主战场仅十多华里。在这家普通的农家院子里，刘伯承、邓小平亲自指挥部队对老爷山、磨盘垴之敌发起猛攻。在雄壮而嘹亮的军号声中，我军突击部队的轻重机枪一齐开火，各种小炮和掷弹筒一齐发射，顷刻间，火光闪烁，子弹像雨点，落在敌人阵地上，磨盘垴垴上垴下像无边的火海。当天，老爷山主峰被太岳纵队攻克，磨盘垴被太行纵队占领。
阎军在老爷山、磨盘垴等地遭到打击后，纷纷夺路向北溃逃。刘邓挥师紧追不舍，将指挥部北移至襄垣县大平村。大平村紧傍公路，这里是敌军北逃的必经之路，当敌军逃至大平村以北的土落村时，早有一支我军部队在此迎候。
土落这个干渠水库西边都是地，只有这个大水库，原来是条小河。小河正南正北有条大路，通屯留、通沁县这条大路。这个大路的两边都是地，这个河不宽，冬天，丈把多远的桥就能过，热天挽起裤腿就能过。上党战役敌人败了以后，他们有一部分就向太原撤退逃跑，我军早就做好了这个计划，让敌军走这条路，我军耍了个布袋战术了，让敌军从这个地方过，我们就对敌人进行袭击，把敌人彻底消灭。
10月7日，敌援军二万余人被我军全歼。敌副总指挥、炮兵司令胡三余等官兵被俘，彭毓斌逃回沁县后自杀。
这一夜，困守长治的史泽波见增援无望，率万余人仓皇出逃，长治被我军攻克。8日，刘伯承、邓小平正式下达追歼逃敌的命令。太岳纵队及太岳区地方武装部队日夜兼程，于10月12日，在沁水县将军岭和桃川歼灭逃敌，生擒史泽波。
刘伯承、邓小平指挥的上党战役历时四十多天，八路军以三万一千人的兵力，先后在襄垣、屯留、长子、潞城、壶关、老爷山、磨盘垴、长治、沁水将军岭和桃川等地与阎军展开激战，歼敌十三个师，共三万五千人，占当时阎军总兵力的三分之一。上党地区宣告解放。
邓小平和刘伯承返回涉县赤岸村时，整个小山村沉浸在一片欢乐声中。邓小平更是喜上加喜，此时，他的次女——邓楠出生了。远在重庆的毛泽东也十分兴奋。10月7日将当年率红军渡河东征前写的千古绝唱《沁园春？雪》赠予柳亚子先生。
蒋介石则十分沮丧，次日赶紧拜会毛泽东。10月10日，国民党代表同意在《政府与中共会谈纪要》，即著名的《双十协定》上签字，重庆谈判以我党在政治上赢得胜利而告结束。10月17日，毛泽东给刘伯承、邓小平及晋冀鲁豫中央局来电称，“在你们领导之下，打了一个胜利的上党战役，使得我军有可能争取下一次相等的或更大的胜利。这个战役的胜负，关系全局极为重大。”上党战役的胜利，有力地支援了毛泽东在重庆的谈判。当阎锡山被打得招架不住时，蒋介石不得不放弃了扣留毛泽东的阴谋，说：“毛先生回去看看吧，家里打起来了。”
果然，上党战役结束仅仅十多天，刘伯承、邓小平的部队就迎来了一个更大的战役。《双十协定》墨迹未干，蒋介石发布内战密令，数十万国民党军队沿着平汉线、同蒲线、津浦线、平绥线咄咄逼人地向解放区进犯。在平汉线，国民党孙连仲部第三十军、四十军及新八军等部风尘滚滚，直逼邯郸。
率部向邯郸进犯的是国民党第十一战区副司令长官马法五、高树勋。高树勋原是西北军冯玉祥旧部。他率领的新八军在国民党军队中受到歧视，对蒋介石早已心怀不满。
上党战役尚未结束，中共地下党员王定南携带高树勋的密信来到前线，面见刘伯承和邓小平，高树勋在信中明确表示不愿充当蒋介石发动内战的罪人。
刘伯承、邓小平同志听了以后非常重视，也非常高兴，邓小平同志对王定南同志说，你来得正好，我们正准备做这方面的工作，打退国民党的进攻，使国民党蒋介石在政治上陷于孤立，在国民党军建立新的战线，争取国民党部队受排挤、歧视的将领站在和平民主的旗帜下，同时还嘱托王定南在新八军中要建立党的工作组，任王定南同志为工作组组长。
为了争取高树勋全军起义，邓小平和刘伯承特意推迟了总攻时间，并派参谋长李达赴新八军做工作。
李达就跟他叙旧，咱们俩原来都是在冯玉祥将军部下。革命不分先后，你过来的话，这个意义不亚于宁都暴动和五原誓师，五原誓师是冯玉祥将军搞的，不亚于他这个。所以李达给他讲了这个话以后呢，促使高树勋将军下了起义的决心。
高树勋起义后，驻扎在附近的其他国民党军队很快土崩瓦解。11月1日，我军突入马法五指挥部，马法五被俘。平汉战役中三万余国民党军队被歼。这场战役前后不过用了10天时间。
