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后发现西北野战部队主力位于蟠龙西北地区，即以8个旅的兵力，于12日由蟠龙、青化砭地区向西北方向进攻，并以整编第76师第72团接第135旅防务，第135旅沿瓦窑堡至青化砭大路南下策应，企图围歼西北野战部队于蟠龙、青化砭西北地区。
西北野战部队以第1纵队（2个旅）伪装主力，牵制敌军主力，诱其向蟠龙西北地区进攻；集中第2纵队和教导旅、新编第4旅共4个旅的兵力在子长县城西南羊马河地区设伏，求歼孤军南下的第135旅。13日，整编第1、第29军主力被阻于蟠龙西北李家岔、云山寺一线。14日晨，第135旅沿子长、蟠龙公路两侧高地南下，10时进至羊马河西北高地时，西北野战部队突然对其发起攻击，迅速分割包围，首先于东山歼灭其1个团，继而围歼位于西山的旅部及另1个团。激战至16时，将第135旅4700余人全部歼灭。
1947年4月羊马河战役后，西北野战部队秘密转移至瓦窑堡附近休整。
国民党军统帅部判断中共中央机关及人民解放军西北野战部队主力在绥德地区并正在东渡黄河，遂令第一战区部队急速北上，并令驻守榆林的第22军等部南下，企图南北夹击，将其消灭于葭县、吴堡地区，或逼过黄河。
国民党军第一战区司令长官以整编第1、第29军共9个旅的兵力，于4月26日由蟠龙、永坪地区分两路向绥德地区急进，仅留整编第1师第167旅及陕西保安第3总队等部守备其补给基地蟠龙。
中共中央遂以第2纵队第359旅一部、第3纵队独立第5旅及绥德军分区部队伪装主力，引诱国军主力继续北上；以第1纵队独立第1旅、警备第3旅各一部组成南进支队，威胁其侧后；集中第1纵队第358旅、独立第1旅和第2纵队独立第4旅及新编第4旅共4个旅的兵力攻取蟠龙；并令教导旅位于蟠龙以南，第359旅主力位于永坪以东准备阻敌主力回援。
西北野战部队首先夺取了蟠龙东山守军主阵地，随即攻占全部外围阵地。接着发起总攻，全歼守军6700余人，缴获面粉1.2万余袋、服装4万余套及大批武器、弹药。
蟠龙战役，连同在此之前的青化砭、羊马河战役，西北野战部队三战三捷，共歼国民党军1.4万余人，从而稳定了陕北战局，为转入战略反攻奠定了基础。
