20日晚，红军各部先后进入攻击位置。这时，敌第11师到达徐庄以南地区，第59师残部到雷公嵊附近，第9师在东陂掩护。当地山路崎岖，行军困难，第11师就地露营，不久，其前卫部队同红军第5军团一部接触，全师转入就地防御。
21日拂晓，周恩来和朱德指挥红一方面军向进入草台岗地区的国民党军主力第11师发起攻击，以一部兵力钳制东陂地区的敌第9师，切断该师与第11师的联系。聂荣臻和林彪督促红军按命令规定的时间出发，拂晓已向敌军占领的黄柏岭前进。黄柏岭是紧临草台岗的制高点，高约五六百米，不攻下黄柏岭即无法攻下草台岗。红军冲锋肉搏，发起猛攻，敌军第11师居高临下，凭火力进行顽抗，战斗最激烈的时候，敌人的飞机来助威，到处扔炸弹。聂荣臻和林彪等在前沿阵地指挥，也被炸弹的气浪推倒在地。他们站起来拍拍身上的尘土，继续指挥战斗。下午，红军终于将黄柏岭上的敌人第11师解决，守敌两个团在突围中也大部被红军歼灭。右翼队红军攻占了龙咀寨阵地，歼敌约两个团。至此，敌第11师大部被歼。
在红军攻歼敌第11师时，罗卓英督令敌军第59师残部和第9师一个团积极进行援救，在雷公嵊南端和大排地区遭到红军严重打击。第11师被歼以后，敌军各部队纷纷后撤，敌人的第四次“围剿”就基本被打破了。
这次草台岗战斗，消灭了蒋介石的嫡系部队，即陈诚赖以起家号称没有打过败仗的国民党军第11师（只逃走了不过一个团的兵力），师长、旅长、参谋长分别被击伤，三个团长被击毙。旅长黄维坐着担架逃出了根据地。
总计黄陂、草台岗两仗，共歼灭蒋介石嫡系部队三个师，俘虏敌人一万多人，缴枪万余支，并缴获新式机枪三百挺，大炮四十门，创造了红军战史上前所未有的大兵团伏击战的范例。
听到消息毛泽东很高兴。他在当年的《红色中华》第97期上写文章称之为“空前光荣伟大胜利”，给了蒋介石以“最致命的打击”。1936年，毛泽东在陕北时曾经对埃德加·斯诺说：“1933年，南京开始第四次，也许是败得最惨的一次'围剿'。这一次红军第一仗就把敌两个师解除了武装，俘虏了两个师长。敌第59师被部分消灭，第52师被全部消灭。”“蒋介石最精锐的部队国民党第11师，接着也被消灭，几乎全部被缴械，师长受了重伤。这几仗构成了决定性的转折点，第四次'围剿'随即结束。”
当国民党军第52、59师在宜黄、乐安一带被包围时，粮弹均绝，蒋介石派飞机向两师投送子弹。这两个师覆灭后，蒋介石给陈诚发“手谕”说：“惟此次挫失惨凄异常，实有生以来惟一之隐痛！”
周恩来和朱德在领导第四次反“围剿”战争过程中，吸取了前三次反“围剿”战争的宝贵经验，坚持毛泽东的正确的作战原则，发挥红军的特长，主张用运动战辅之以游击战来打破敌人的进攻，而反对阵地战、攻坚战和堡垒战，并曾就作战方针和战役部署等问题向后方中央局进行过多次抗争。周恩来所坚持的虽然和毛泽东的军事战略思想基本一致，但作为军事家的周恩来，也有他自己的创造，红军首创大兵团伏击战法，连续歼敌3个师，缴获枪支万余。
