1947年3月，国民党放弃了全面进攻计划，改以陕北和山东解放区为重点，实行“双矛攻势”的重点进攻。党中央从全局战略出发，主动撤离延安，坚定留在陕北，依托陕北优越的群众条件和有利地形与敌周旋，转战陕北十二县，以西北野战军彭德怀、习仲勋所部6个旅2.6万余人及地方部队1.6万人，与国民党军34个旅约25万人在陕北的山峁沟壑采用“蘑菇战术”盘旋打转，极大地鼓舞了陕甘宁边区和国民战斗意志，增强全国解放战争必胜的信念。
按照中央军委关于“中央突破，三军配合，两翼牵制，互为犄角，逐鹿中原”的战略部署，西北野战军计划将国民党军胡宗南部引向陕北沙漠边沿，以利实现中央的战略决策。1947年7月28日，彭德怀率西北野战军围攻榆林。8月8日，经两天激战，大军直逼榆林城下，对国民党在陕北的统治中心榆林城形成包围之势。蒋介石唯恐丢失榆林，影响整个西北战局，于8月6日急飞延安，部署救援榆林并准备在榆林、米脂、佳县之间的三角地带“围歼”西北野战军。按照蒋介石的命令，胡宗南急令整编第1军、第29军所属8个旅分两路向绥德、佳县地区急进，以整编第36师为援榆快速兵团，驰援榆林。鉴于36师救援榆林，毛泽东和中央军委当即同意彭德怀围点打援的计划。
8月12日，西野主力隐蔽集结在榆林东南的三岔湾至鱼河堡一线山上寻找战机，并让后方机关一部分人员在佳县北东渡黄河，制造中共中央和西野主力要东渡黄河的假象，有意迷惑对方。14日，敌36师南下归德堡遇到我军抗击，拐到鱼河堡附近宿营，16日进抵镇川。胡宗南部主力已会师绥德，董钊率整编第1军军部和整编第1师留守绥德、米脂；刘戡率第29军5个旅沿黄河直奔佳县圪镇店，刘戡与钟松东西相距不过百里路程。他们准备向东封锁黄河渡口，向西控制咸榆公路。
此时，毛泽东、中共中央机关、西野主力部队都被挤在佳、米、榆三县交界的狭小地域，处于背靠沙漠、侧水侧敌的险境中，情况十分危急。8月17日，周恩来打电话告诉彭德怀：中央不过黄河，关键是必须迅速歼灭国民党军之一部，粉碎其合围企图。同日，刘戡率部继续向佳县逼近。自恃“援榆有功”的钟松急功近利，决定以第123旅附第165旅的493团为前梯队，由镇川向沙家店以东的乌龙堡前进；36师师部及165旅的大部为后梯队，向沙家店以东行进。彭德怀瞅准其南北夹击之势尚未形成的战机，抓住36师是骄狂、疲惫、孤军之师的弱点，果断决定：坚决消灭36师。
8月18日，钟松部前梯队由沙家店以南经万佛洞、高家园子向乌龙堡东进。上午10时，西野第3纵队和绥德军分区第4团、第6团在乌龙堡以北地区与钟松的前梯队接触，且战且退，将其诱至乌龙堡北山。第1、2两纵队和教导旅、新编第4旅在常高山附近与钟松的先头部队刚接触，钟松部就退回沙家店。由于当日大雨如注，山洪暴发，我军暂停进攻。
19日，刘戡率主力进占了佳县城、神泉堡、李家庄等地。钟松率后梯队进至沙家店地区驻防，发现沙家店附近有西野主力，急电123旅向沙家店靠拢。123旅因畏惧西野伏击与夜战，仅派附属的493团先行驰援。
20日拂晓，战斗全面打响。西野围歼计划未变，仍把敌36师切成两块、分割包围歼灭。第1、2纵队向沙家店的钟松师部及165旅发起猛烈进攻。教导旅和新编第4旅，把企图向西救援的敌123旅包围在常高山附近并展开攻击。第3纵队及警备4团、6团在乌龙堡以南地带抗击刘戡增援部队。此刻，毛主席就在离战场只有20里的梁家岔。炮声一打响，他就兴奋地说：“好！我看这回胡宗南怎么交待。”战斗到13时，彭德怀下达了动员令：“彻底消灭36师，是我西北战场由战略防御转入战略进攻的开始，收复延安解放大西北的开始，为着人民解放事业，继续发扬你们无限英勇精神，立即消灭36师，活捉钟松，号召你们本日黄昏以前胜利完成战斗任务！”全体指战员情绪激昂，勇气倍增，冲杀追击更加勇猛顽强。黄昏，沙家店战役胜利结束。
此役36师师长钟松和165旅旅长李日基带少数官兵化装逃跑，123旅旅长刘子奇被俘，歼灭敌36师师部及两个旅共6000多人，缴获山炮7门、迫击炮21门、六O炮34门，轻机枪168挺、重机枪30挺、司登枪48支、步马枪2013支、短枪32支，山炮弹10发、迫击炮弹546发、六O炮弹400发、各种子弹20万发，骡马577匹，无线电台5部、报话机4部、电话机27部。
沙家店战役胜利后的第三天，我太岳兵团由晋南强渡黄河挺进豫西，切断陇海铁路，潼关告急，西安吃紧。胡宗南急电董钊、刘戡收拾败军南下。西野主力乘胜追击，转入内线反攻，解放延安东北的广大地区，开辟了黄龙山解放区。
沙家店战役是扭转陕北战局的关键一仗，基本粉碎了国民党军对陕北的重点进攻。中共中央高度评价这一仗对全国战局的重大意义，指出：“经此一战，局势即可改变。”23日，西北野战军召开旅以上干部会议，毛泽东、周恩来、任弼时到会向指战员们祝贺胜利。毛泽东说：“沙家店这一仗确实打得好，对西北战局有决定意义，最困难时期已经过去了。用我们湖南话来说，打了这一仗，就过坳了。”
为了纪念沙家店战役中牺牲的革命先烈，1954年7月1日，米脂六区全体人民在折家圪崂村沙塌立革命烈士纪念碑、沙家店烈士陵园。
