刘戡果然被“钓”了出来。彭德怀于2月28日发出“进字第二号”命令：“本野战军决定于明（29）日拂晓发起总攻，歼灭来援之敌。”并按既定的作战方案，适当调整了部署：以第3、第6纵队各一个旅继续围攻宜川，集中9个旅的兵力迅速抢占瓦子街至铁笼湾两侧高地，待刘戡援军进入时一举围歼。同时，电令第2纵队集结于圪台街与瓦子街之间，准备由南向北侧击瓦子街及以东的援敌。
2月28日，刘戡率援军继续东进，企图当日赶到宜川。为了防止通过瓦子街以东隘路时遭受伏击，刘戡以整编第90师第61旅、整编第27师第47旅分别沿公路南北两侧的山梁搜索前进。由于公路北侧道路难行，除第61旅沿公路南侧行进外，其余部队仍在沟内沿公路东进。
当刘戡援军的先头部队由瓦子街东进到铁笼湾的时候，彭德怀幽默地说：“刘戡啊，你钻进了‘铁笼子’，就不要再想出去了！”
上午10时，刘戡援军的先头部队一过瓦子街进至任家湾、丁家湾地区时，即遭到西北野战军第3纵队独立第5旅和第6纵队教导旅第2团的阻击。
刘戡判断阻援部队只有1个纵队，几千兵员，不能阻其驰援，命令部队继续攻击前进，限于当天到达宜川。这样，连其后续部队均于当日进入瓦子街以东的隘路。28日下午，天空阴云密布，开始下毛毛雨，后变成小雪，入夜，鹅毛大雪漫天飞扬。野战军第1、4纵队和第3、6纵队各一部，冒雨雪由预伏地区隐蔽接敌。
2月29日晨，彭德怀致电中央军委：“敌整编29师、90师进到宜川西南之王家湾、任家湾以南高地。昨晚大雪数寸，本晨敌未动。我无粮不能等待，故决向该敌围攻。”
同日晨2时，负责扎口袋的第1纵队于瓦子街以西尾敌前进，6点攻占瓦子街，断敌后路。这时1纵队司令员贺炳炎、政治委员廖汉生发现第2纵队因距离远，雪路难行，尚未占领瓦子街以南高地，而敌人正向该地集结。
如不迅速堵塞这一缺口，敌人将有突围逃窜的可能。于是在前卫独1旅1团插过公路开始攻击之后，又命令358旅一部向瓦子街东南高地攻击，以切断敌人南逃退路。358旅的714团附715团1个营，与敌53旅1个团的兵力，反复肉搏，将敌击溃，占领了阵地。并向东发展，同友邻部队一起，完全截断了敌军回窜的道路。
同一天，第1、第4纵队和第3、第6纵队主力击退了企图夺路突围之敌。担任攻击敌右翼的第2纵队亦赶到投入战斗。到黄昏，野战军紧缩包围圈，将敌人压缩在乔儿沟、任家湾、丁家湾及其附近高地的东西不到10公里长，南北宽约5公里的狭小地区内，形成铁桶合围的态势。当天夜里，部队冒着大雪严寒露营，不顾疲劳饥饿，积极准备第二天总攻。刘戡也命令其所部各旅连夜构筑工事，继续顽抗。
3月1日拂晓，彭德怀下达总攻击命令。第1纵队沿公路及其两侧高地由西向东，2纵队由南向北，4纵队由北向南，6纵队一部由东南向西北，3纵队一部由东北向西南，向敌人发起总围攻。枪声、炮声、军号声、冲杀声，震天动地。
这一天，全线战斗十分激烈。刘戡的援军顽强抵抗，与西北野战军反复争夺位于公路南侧、居高临下的东南山。
彭德怀在当天的一份文电中写道：“每攻一山峰，须反复数次，用刺刀才能取得。”名闻全军的刺杀英雄刘四虎，原是苦大仇深的翻身农民，也是新式整军中提高阶级觉悟的典型，一个人刺死7个敌人，自己身上也挨了11刀，负了重伤。714团团长任世鸿，带领特务连夺取敌军指挥所盘踞的山梁土寨子，身先士卒，英勇牺牲。
彭德怀一直注视着战斗的进展情况，对广大指战员鏖战东南山，英勇拼搏的战斗作风深为满意。他在前线指挥所观察到，敌人死守丁家湾的一个山头阵地，我攻击部队多次进攻受阻。而在附近担任“阻敌东进”的一个旅，只顾阻击，没能见机行事，协同兄弟部队出击。彭德怀在电话上批评该旅旅长表现迟慢。旅长即带一个团出击。彭德怀又踏着烂泥直奔该旅指挥所，对在场的旅参谋长说：把机枪布置好。你带领这个团顺山沟下去，再往对面敌阵地冲击。他对旅首长说：“打仗，战机非常重要，指挥员要有战场的全局观点，善于协同配合，狠狠打击敌人，不给敌人以喘息的机会。”
经过连日激战，至3月1日下午4时，西北野战军占领了公路两侧全部阵地，整编29军军部被歼。残敌都被驱赶到沟里，狼奔豕突，争相逃生。但到处都是解放军，哪儿也跑不出去。下午5时，增援宜川的胡宗南军全部被歼。
3月2日，西北野战军对包围宜川的部队发起总攻。3日上午8时，全歼宜川守敌24旅，旅长张汉初跳山逃跑时，腿摔坏被俘。至此，宜川、瓦子街战役胜利结束。