1935年11月3日，中共中央成立了西北革命軍事委員會，主席毛澤東、副主席周恩來、彭德懷，統一了紅軍的作戰指揮。
並且取消了陝甘支隊的番號，恢複了紅一方麵軍番號，下轄紅1軍團(由原陝甘支隊第1縱隊和第2縱隊組成)與紅15軍團(由劉誌丹領導的陝北紅軍和長征先期到達陝北的徐海東領導的紅25軍組成)，司令員彭德懷，政治委員毛澤東，參謀長葉劍英，政治部主任楊尚昆，以便集中主力，形成拳頭，打大殲滅戰。
勞山、榆林橋戰役後，敵軍有一個團被紅軍圍困於甘泉城。蔣介石電令東北軍第57軍加緊對陝北蘇區進攻，全部東進，解甘泉之圍。第57軍軍長董英斌即以其109師、111師、108師、106師、120師全部東進，加上東北軍王以哲的第67軍第117師接應，發動了對陝北蘇區的第三次“圍剿”。第109師師長牛元峰，自恃武器精良，不把紅軍放在眼裏，積極請命打前鋒，率全師直奔直羅鎮。
毛澤東深刻分析了陝北第三次反“圍剿”的形勢和當前的敵情，親自擬定了一個大的殲滅戰計劃，決定集中紅軍主力，在直羅鎮布下口袋陣，殲滅來犯敵人。
為了打好這一仗，當時決定凡是傷病員，除了主要指揮員以外，一律不讓參戰。兩個軍團逐師逐團地核實戰鬥力，紅1軍團左權參謀長負責抓這一工作。當他核實到紅13團時，卻遇到了“難題”。新調任紅13團團長的陳賡與左權是黃埔軍校第一期同學，關係非常密切。左權知道陳賡有骨折性戰傷，就征求陳賡的意見，是否由他(左權)代替指揮。陳賡堅決不同意，說：“人家新官上任三把火，你卻潑我一瓢水！”左權隻得讓步，要給他配兩匹馬。陳賡笑著說：“長征我是走來的，不是騎馬來的。”左權無法，隻得把團特派員歐致富找來，囑咐說：“你得馬上落實一副擔架，從現在起，擔架不要離開他前後，他算是提前指揮的，明白嗎？”擔架落實了，陳賡一直不肯坐，當後來因指揮需要不得已叫擔架時，他歎氣說：“這真是抬將軍上陣了。”“抬著將軍戰直羅”，成為紅軍戰史上的一段佳話。
為了打好這一仗，當時還在下寺灣召開了兩個軍團的團以上幹部會，毛澤東、周恩來、彭德懷在會上親自動員，做有關的布置。戰役發起前兩天，毛澤東又親自組織兩個軍團團以上幹部到直羅鎮西南麵的小山頭上看地形，研究具體部署。
直羅鎮，位於葫蘆河南岸，三麵環山，中間是一條狹窄的河穀，寬處不超過200米，狹窄處隻有二三十米。一條道路自西而東穿鎮而過。由於路麵坎坷不平，車輛難於通行，部隊通過時，隻能排成一字長蛇陣，蜿蜒慢行。大家邊觀察邊議論，認為這一帶確是伏擊敵人的良好戰場，把敵人放進直羅鎮，真如鑽進了口袋，便於一鼓殲滅。
11月20日下午，敵109師在師長牛元峰率領下，由6架飛機掩護，旁若無人向直羅鎮闖來。擔任誘敵任務的紅軍一個連迎上前去，同敵人先頭部隊接觸，邊戰邊走，向敵人示弱，牽引著牛元峰部往直羅鎮跑。戰士們名之曰“牽牛”。果然，敵人誤認紅軍抵擋不住，敗陣而退，更加趾高氣揚，一直追到直羅鎮，並占領了直羅鎮附近的高地。牛元峰洋洋得意，認為“旗開得勝”，馬上叫他的參謀擬發電報，向總部和軍部報捷，聲稱他已占領了直羅鎮。他放縱士兵在直羅鎮內大肆劫掠群眾的米、麵、雞、鴨、豬、羊等，大開筵席，慶祝“勝利”。大小官兵，大嚼大喝，呼幺喝六，劃拳飲酒。到後來，一個個醉醺醺地，倒頭大睡。
當天晚上，毛澤東、周恩來、彭德懷下達了作戰命令。21日拂曉前，紅1軍團和紅15軍團，按既定部署，迅速進入出擊陣地，將直羅鎮緊緊包圍了起來。