二十一日，山城堡总攻开始了。红一军团一师和红十五军团一部迂回到敌人的侧后断其退路，红一军团一师、四师由山城堡以南向北实施突击，红十五军团主力由山城堡东北向西南突击，第三十一军由北向南突击。黄昏时分，在各路红军的猛烈攻击下，单独冒进的胡宗南部第七十八师被迫急切转移，红军占领了山城堡并开始了追击。由于退路已断，敌军除小部分突围之外，大部分被压缩在山城堡西北方向的山谷之中。至二十二日上午，胡宗南部第七十八师基本被全歼。

聂荣臻回忆道：

战斗从当天黄昏打起，一直打到第二天上午结束。先截断了敌人西逃的退路，然后从东、南、北三个方向向敌人展开猛烈攻击。战斗开始，五团政委陈雄同志亲自带领一排人一下子就冲入敌人阵地。他们用手榴弹将敌人的临时堡垒一个一个地炸毁，一连占领十个堡垒，随后又把敌人几处主要阵地都拿下来了，敌人就溃败下去了。部队一追就和敌人混战在一起。这时天已经很黑，伸手不见五指，也分不清敌我，枪也不能打，手榴弹也不能投，上去就摸帽子，摸着是国民党军戴的那种帽子就用手榴弹砸头。夜晚打乱了敌人的部署，白天的仗就比较好打了。经过一夜多的激烈战斗，将敌七十八师二三二旅及二三四旅的两团全部歼灭。与此同时，胡宗南派向盐池方向进攻的另外几个师也被我二十八军击溃。

山城堡战役是中国工农红军长征的最后一战。

一九三六年十一月二十三日，中国工农红军第一、第二、第四方面军在山城堡集会，这是中国工农红军三个方面军的官兵经过了万里转战第一次相聚在一起。中国工农红军总司令朱德说：“三大红军西北大会师，到山城堡战斗结束了长征。长征以我们胜利敌人失败而告终。我们要在陕甘苏区站稳脚跟，迎接全国抗日救亡运动的新高潮。”

山城堡战斗结束后，红军炊事员朱家胜挑着担子跟着部队往陕北走，因为战友牺牲了，他一个人担着的东西太多，渐渐地落在了队伍的最后。夜色沉寂，雪落无声。朱家胜踩着战友们在雪地上留下的脚印一直向前。天边出现了一抹淡红色的光亮，朱家胜看见了向他跑来的红军。红军接过他肩上的担子，扑打着他身上的雪花，往他手里塞了个热乎乎的洋芋。一位红军干部从背包里翻出一个蓝布小包，拿出里面的针线对他说：“同志，到家了，补补吧。”红军干部一针一线地缝补朱家胜那件破得很难再补的衣服，那是他自一九三四年十二月离开根据地就一直穿在身上的一件单衣。天边那片朦胧的亮色逐渐扩大，苍茫的河山骤然映入红军战士朱家胜流着泪的双眼——雪后初晴的黄土高原晨光满天，积雪覆盖下的万千沟壑从遥远的天边绵延起伏蜿蜒而来……

北国风光，

千里冰封，

万里雪飘。

望长城内外，

惟余莽莽；

大河上下，

顿失滔滔。

山舞银蛇，

原驰蜡象，

欲与天公试比高。

须晴日，

看红装素裹，

分外妖娆。

江山如此多娇，

引无数英雄竞折腰。

惜秦皇汉武，

略输文采；

唐宗宋祖，