山城堡戰役經過要圖。資料圖片1936年10月，紅一、紅二、紅四方面軍在甘肅會寧和靜寧以北的將台堡（今屬寧夏）會師後，北移至海原、靖遠打拉池地區。這時，蔣介石不顧中國共產黨一再提出的“停止內戰，一致抗日”的主張，繼續堅持反共的內戰政策，並坐鎮西安，調集國民黨軍5個軍，於下旬從會寧至隆德一線由南向北，分4路向紅軍進攻。
為粉碎敵人的進攻，爭取抗日民族統一戰線的形成，紅軍前敵總指揮部根據中共中央和中革軍委的訓示，决定集中主要兵力給國民黨軍第1軍（軍長胡宗南）以殲滅性打擊；以一部兵力牽制第3、第37軍，並相機予以打擊；對東北軍第67軍等積極進行統一戰線工作，以遲滯其前進。
10月底，紅一方面軍第1、第15軍團和第81師，紅二方面軍第2、第6軍團及紅四方面軍第4、第31軍，開始由打拉池、海原地區逐次向東轉移，尋機殲敵。至11月15日，各部分別移至豫旺堡、毛居井以東和環縣以西以及萌城、甜水堡地區。
此時，國民黨軍第37軍正準備西渡黃河，“追剿”紅軍河西部隊；東北軍第67軍等部經紅軍勸阻，前進緩慢；第3軍進佔同心城後，也停止前進；唯獨國民黨軍第1軍緊緊尾追紅軍，進至豫旺地區。紅軍主力奉命向山城堡迅速靠近，打擊國民黨軍進攻。16日，紅軍各部向山城堡南北地區集結。
山城堡位於環縣以北洪德和甜水堡中間地帶，溝壑縱橫，地形複雜，利於大部隊設伏。17日，國民黨軍胡宗南部第1軍分左中右三路向鹽池、甜水堡、山城堡方向前進：左路第1師第1旅由惠安堡東進；中路第1師第2旅向萌城、甜水堡推進；右路第78師由西田家原向山城堡前進；第43、第97師為第二梯隊，進至豫旺縣城及附近地區。當日，紅軍第4、第31軍擊潰中路第1師第2旅，殲敵團長以下600餘人。
17日18時，毛澤東電示彭德懷：紅軍宜以第28軍鉗制敵第1旅，第4軍鉗制敵第2旅，集結第1軍團、第15軍團及第31軍首先消滅敵第78師，然後再打第2旅，向西北橫掃。18日，國民黨軍第78師發覺紅軍主力已向洪德城、環縣方向轉移，即向山城堡方向追擊。
19日，紅軍前敵總指揮彭德懷作出集中優勢兵力求殲孤立深入之敵右路第78師的部署：第1軍團在山城堡以南待機；第15軍團一部誘敵東進，主力隱蔽於山城堡以東及東北山地；第4軍主力於山城堡東南地區，第31軍於山城堡以北地區隱蔽待機；第28軍在紅井子一帶牽制國民黨軍左路第1師第1旅；紅二方面軍第6軍團以及紅一方面軍第81師、特務團、教導營在洪德城、環縣一線以西地區，阻滯東北軍；前敵總指揮設在山城堡東南於家灣。
20日，國民黨軍右路第78師進佔山城堡、小檯子、風臺堡等地，並派出兩個連沿山城堡至洪德城大道向南偵察，在八裏鋪以南遭到第1軍團一部突然攻擊，大部被殲，少數逃回山城堡。
21日，國民黨軍第78師由山城堡繼續向東攻擊。預伏在山城堡周圍的紅軍各部在彭德懷的指揮下，向山城堡之敵發起總攻。第1軍團第2師協同第15軍團一部向山城堡西北的哨馬營攻擊，斷其退路。第1軍團第1、第4師由山城堡以南向北進攻，第31軍一部由山城堡以北向南進攻，第4軍由山城堡東南向西北進逼。
當日黃昏，第1軍團第1、第4師和第31軍一部，乘敵向山城堡以北山地撤退之機，從南、東、北三面攻入山城堡，並乘勝追擊。此時，第2師、第15軍團一部已經繞至敵後，截斷退路。敵軍頓時潰散，一部突圍。至22日9時，敵軍大部被紅軍包圍壓縮於山城堡西北山谷中，後被殲滅。
這次戰鬥，紅軍共殲滅國民黨軍第78師超過一個旅的兵力，取得山城堡戰役的勝利。第78師在戰報中稱，此戰“損失極重，混亂不堪”“以現計約損失三分之二以上”。
山城堡戰役，是中國工農紅軍三大主力會師後，相互配合、密切合作取得的重大軍事勝利，給蔣介石嫡系胡宗南部以沉重打擊，迫使國民黨軍停止了對陝甘蘇區的進攻，對促進“逼蔣抗日”方針的實現起了積極作用。