当敌军78师先头部队贪图泉水水源驻扎在山城堡，不顾侦察地形、敌情只顾大睡时，红军指战员们身着单衣、脚穿草鞋，冻得浑身发抖，许多人由于喝山水患上腹泻、浮肿，却依然克服极端困难条件，保持战斗状态。
战斗打响后，红军将士怀着对革命的理想、对胜利的渴望，充分发扬不怕疲劳、不怕牺牲、连续作战的优良传统，一声令下扑入敌阵，充分发扬我军夜战近战优势，借着夜色勇猛穿插分割，与敌人肉搏拼杀。红军干部带头冲锋、身先士卒，为部队作出表率。
红1军团2师第5团政委陈雄亲率一个排，在敌阵中打开缺口，最后不幸壮烈牺牲。当敌人凭借优势武器装备和有利地形负隅顽抗时，红军没有重武器，打得十分艰苦。
红1军团4师作战参谋彭雄带领小分队爬到后山，出其不意出现在敌人背后，一顿手榴弹炸得敌人晕头转向。
在我军勇猛攻势下，敌军抵抗一阵后，很快就土崩瓦解，向山腰溃退逃跑。经一夜战斗，78师主力几乎被全歼，大量武器弹药被红军缴获。
参加这场夜战的红军1师13团政委魏洪亮回忆说，胡宗南的所谓“精锐”，白天打阵地战还有一套，可是，夜战碰上红军这些夜老虎，他们就绵羊也不如了。
在山城堡战役胜利第二天的庆祝胜利大会上朱老总讲道：
三大红军西北大会师，到山城堡战斗结束了长征，给追击的胡宗南部队以决定性的打击。长征以我们胜利敌人失败而告终。
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