1936年10月，红一、红二、红四方面军在甘肃会宁和静宁以北的将台堡（今属宁夏）会师后，北移至海原、靖远打拉池地区。这时，蒋介石不顾中国共产党一再提出的“停止内战，一致抗日”的主张，继续坚持反共的内战政策，并坐镇西安，调集国民党军5个军，于下旬从会宁至隆德一线由南向北，分4路向红军进攻。

为粉碎敌人的进攻，争取抗日民族统一战线的形成，红军前敌总指挥部根据中共中央和中革军委的指示，决定集中主要兵力给国民党军第1军（军长胡宗南）以歼灭性打击；以一部兵力牵制第3、第37军，并相机予以打击；对东北军第67军等积极进行统一战线工作，以迟滞其前进。

10月底，红一方面军第1、第15军团和第81师，红二方面军第2、第6军团及红四方面军第4、第31军，开始由打拉池、海原地区逐次向东转移，寻机歼敌。至11月15日，各部分别移至豫旺堡、毛居井以东和环县以西以及萌城、甜水堡地区。

此时，国民党军第37军正准备西渡黄河，“追剿”红军河西部队；东北军第67军等部经红军劝阻，前进缓慢；第3军进占同心城后，也停止前进；唯独国民党军第1军紧紧尾追红军，进至豫旺地区。红军主力奉命向山城堡迅速靠近，打击国民党军进攻。16日，红军各部向山城堡南北地区集结。

山城堡位于环县以北洪德和甜水堡中间地带，沟壑纵横，地形复杂，利于大部队设伏。17日，国民党军胡宗南部第1军分左中右三路向盐池、甜水堡、山城堡方向前进：左路第1师第1旅由惠安堡东进；中路第1师第2旅向萌城、甜水堡推进；右路第78师由西田家原向山城堡前进；第43、第97师为第二梯队，进至豫旺县城及附近地区。当日，红军第4、第31军击溃中路第1师第2旅，歼敌团长以下600余人。

17日18时，毛泽东电示彭德怀：红军宜以第28军钳制敌第1旅，第4军钳制敌第2旅，集结第1军团、第15军团及第31军首先消灭敌第78师，然后再打第2旅，向西北横扫。18日，国民党军第78师发觉红军主力已向洪德城、环县方向转移，即向山城堡方向追击。

19日，红军前敌总指挥彭德怀作出集中优势兵力求歼孤立深入之敌右路第78师的部署：第1军团在山城堡以南待机；第15军团一部诱敌东进，主力隐蔽于山城堡以东及东北山地；第4军主力于山城堡东南地区，第31军于山城堡以北地区隐蔽待机；第28军在红井子一带牵制国民党军左路第1师第1旅；红二方面军第6军团以及红一方面军第81师、特务团、教导营在洪德城、环县一线以西地区，阻滞东北军；前敌总指挥设在山城堡东南于家湾。

20日，国民党军右路第78师进占山城堡、小台子、风台堡等地，并派出两个连沿山城堡至洪德城大道向南侦察，在八里铺以南遭到第1军团一部突然攻击，大部被歼，少数逃回山城堡。

21日，国民党军第78师由山城堡继续向东攻击。预伏在山城堡周围的红军各部在彭德怀的指挥下，向山城堡之敌发起总攻。第1军团第2师协同第15军团一部向山城堡西北的哨马营攻击，断其退路。第1军团第1、第4师由山城堡以南向北进攻，第31军一部由山城堡以北向南进攻，第4军由山城堡东南向西北进逼。

当日黄昏，第1军团第1、第4师和第31军一部，乘敌向山城堡以北山地撤退之机，从南、东、北三面攻入山城堡，并乘胜追击。此时，第2师、第15军团一部已经绕至敌后，截断退路。敌军顿时溃散，一部突围。至22日9时，敌军大部被红军包围压缩于山城堡西北山谷中，后被歼灭。

这次战斗，红军共歼灭国民党军第78师超过一个旅的兵力，取得山城堡战役的胜利。第78师在战报中称，此战“损失极重，混乱不堪”“以现计约损失三分之二以上”。

山城堡战役，是中国工农红军三大主力会师后，相互配合、密切协作取得的重大军事胜利，给蒋介石嫡系胡宗南部以沉重打击，迫使国民党军停止了对陕甘苏区的进攻，对促进“逼蒋抗日”方针的实现起了积极作用。