当胡宗南凭借着兵力上的绝对优势疯狂扑来的时候，红军向东逐次转移，先后集结于环县以北的山城堡南北地区。11月20日，胡宗南部第七十八师由山城堡向东进攻时，埋伏在周围的红军各部突然向敌人展开猛烈反击。三个方面军密切配合，经过一昼夜激战，取得歼敌第二三二旅及第二三四旅两个团的重大胜利。
红六军团参加了山城堡战役。按照中央军委的命令，红二方面军在山城堡与洪德城之间的水头堡集结，准备策应。红六军团与红一方面军的特务团、教导营在隆德城、环县一线以西地区，支持东北军。王震率领红六军团的主要任务是向南攻击敌人的一座山头。10月21日，红一方面军主力和红四方面军第四、第三十一军向山城堡发起进攻，敌人慌作一团，蜂拥向北方突围。王震命令部队马上投入战斗。在山城堡的北面有一个制高点，这是敌我双方全力争夺之地，因为不管谁占领制高点对方就将被压到山沟里，将会被动挨打，因此，这个制高点实际上具有控制全局的作用。王震率部拼命守住这个制高点，而敌人则拼命地争夺，战斗非常激烈。敌人见山城堡已被红军占领，而向北突围又不可能，于是改变了作战方式，由进攻转向防守。他们加紧修筑防御工事，准备坚守阵地，等待援军的到来。为了迅速歼灭敌人，红军前线总指挥部下达了追击命令，一时间，红军如离弦之箭向敌人扑去。王震也命令红六军团向敌人发起猛烈的冲锋，协同兄弟部队将敌歼灭，粉碎了敌人的进攻。山城堡战役是红军长征的最后一战，也是结束十年内战的最后一仗，对逼蒋抗日方针的实现起了重要的促进作用。
“山城堡战役之后，红二方面军即根据中央军委指示，在环县以西地区进行休整，对在中国革命史上具有重大意义的长征进行了检查总结，既肯定了成功的经验，又指出了存在的问题，对广大干部、战士进行了一次深刻、生动的政治和军事路线的教育，对迎接新的民族解放战争，作了思想和政治上的准备。”①
