鞅比�34个旅共25万余人兵力，在马鸿逵、马步芳、邓宝珊等部从西、北两侧面配合下，以胡宗南集团为主从南线进攻延安。
敌军部署：以整编1军军长董钊率整编1、27、90师共7个旅组成右兵团，从宜川、龙泉镇地区出发，在攻占临真、金盆湾等地以后，沿金（盆湾）延（安）大路及其两侧地区向延安进攻；整编29军军长刘戡率整编17、36、76师及整编15师135旅、整编38师55旅共8个旅组成左兵团，从洛川、旧县地区出发，在攻占富县、茶坊、牛武、甘泉等地后，沿咸（阳）榆（林）公路及其两侧地区向延安进攻；以整编10师和新编1旅、暂编2旅共5个旅为预备队。敌第一战区前进指挥所位于洛川。宁夏马鸿逵集团以整编18师3个旅组成宁夏兵团，向我三边分区进攻；以整编81师2个旅组成海（原）固（原）兵团，向陇东环县地区进攻。青海马步芳集团以整编82师等5个旅组成陇东兵团，向陇东庆阳、合水地区进攻。敌晋陕绥边区总部所属邓宝珊部22军，由榆林向南钳制配合。企图夺取延安，占领陕甘宁解放区，聚歼我党我军首脑机关和边区部队于延安或延安以北地区；或先逼我军东撤，尔后会同华北敌军歼灭我军于黄河以东地区。
当时陕甘宁边区的部队，除抗战后期从晋察冀调来的教导旅和由太行调来的新编第四旅外，第一纵队（辖三五八旅、独立第一旅）及正在西渡的第二纵队（辖三五九旅、独立第四旅）都是从晋绥军区调来的。全部野战军仅6个旅，2。6万多人，与国民党军的25万兵力之比约为1∶10；加上地方兵团警备第一旅和第三旅，也只有3万多人，约为1∶8。不仅兵力处于绝对劣势，而且武器装备差，枪炮少，弹药奇缺。陕甘宁边区只有150多万人口，土地贫瘠，野战军的兵员补充和物资供应都极为困难。
根据陕甘宁边区敌我斗争形势，中共中央、中央军委决定采取积极机动防御作战方针，以空间换取时间，诱敌深入，集中绝对优势兵力，选择敌薄弱和孤立部分，在运动中予以各个歼灭，以逐渐削弱敌人，壮大我军力量，求得战略形势的根本改变。这就决定了我军在战略上是内线的、防御的、持久的，在战役和战斗中则是外线的、进攻的、速决的。
3月16日，毛泽东以中央军委主席名义发布关于保卫延安的作战命令，指出：“我边区各兵团有坚决保卫延安任务。”命令边区部队迅速调整部署，并决定从17日起组建西北野战军（时未正式授予番号，但已使用该称），统由中国人民解放军副总司令、中央军委副主席兼总参谋长彭德怀和中共中央西北局书记习仲勋指挥，辖1纵队（司令员张宗逊、政委廖汉生。辖358旅，旅长黄新廷、政委余秋里；独1旅，旅长王尚荣、政委朱辉照）、2纵队（司令员兼政委王震。辖独4旅，旅长顿星云、政委杨秀山；359旅，旅长郭鹏、政委李铨）、教导旅（旅长兼政委罗元发）、新4旅（旅长张贤约、政委徐立清），共6个旅2．58万余人。野战军指挥机关由中央军委、陕甘宁晋绥联防军抽调人员组成。此外，陕甘宁晋绥联防军下辖警1旅、警3旅、新11旅和骑兵6师，共1．6万人。20日，西北野战军指挥机关在延安东北梁村正式组成。
西北野战军首长决心在南线富县、临真地区进行机动防御，节节抗击。其目的：争取被动中之主动，求得大量杀伤敌有生力量之后，主动撤出延安，以骄敌之兵，制造敌指挥上盲目乐观、轻举妄动的错误；迟滞敌之进攻，争取时间掩护中共中央及延安各机关学校安全转移，疏散延安群众；动员根据地人民转入战争状态，展开对敌斗争。战役部署：以教导旅及警3旅7团5000余人组成对敌防御兵团，教导旅占领临真、金盆湾地区构筑阵地（第一、第二防御地带）；以延属分区独立团及民兵游击队配合；以1纵队358旅、独1旅及新4旅为战役预备队，位于富县西南地区待命。
西华池战斗后，1纵队奉命集结在富县以西道德塬附近待机。3月15日，晋绥军区2纵队奉命从延水关西渡黄河，正向延安一线迅速开进；1纵队进至甘泉县南北地区组织第三防御地带，准备抗击敌之进攻。具体部署：独1旅占领麻子街、白家山、大劳山、杨庄科地带组织防御；358旅716团位于甘泉西北山，保障独1旅右翼安全；其余为第二梯队，位大劳山、杨庄科以北各高地，占领阵地组织防御。
3月13日，胡宗南集团从南线洛川、宜川向延安发起进攻，并以飞机94架轮番疯狂轰炸延安及陕北各城镇，扬言3日之内占领延安。敌为鼓励士气，宣称以巨款悬赏首先进入延安的部队。
我防御兵团依托第一、第二防御地带野战工事，顽强抗击3天，将敌阻在麻子街、马坊、金盆湾以南地区。15日夜，1纵队在麻子街东北各高地占领阵地，组织防御。16日，敌从道佐铺、清泉镇向我麻子街、甘泉及其以东各阵地发起冲击。独1旅714团在敌飞机及炮火猛烈轰击下顽强防御，打退敌数次冲击，予敌以严重杀伤。激战终日，敌仅前进约5公里。17、18日，独1旅各团及358旅716团等部继续与敌进行顽强战斗，不轻易放过一处阵地。18日，中共中央及延安各机关、学校已安全转移，群众已疏散完毕，给敌以严重杀伤的预期目的已达。1纵队遂于19日上午主动撤出了延安。同日中午，敌先头部队进入延安空城。
延安保卫战，是预有准备的机动防御作战。我军仅以5000余人少数兵力，抗击敌14万之众的疯狂进攻，以伤亡约700人的代价换取了歼敌5200余人的胜利，迟滞、消耗与疲劳了敌军，胜利完成了掩护党中央、解放军总部及延安各机关安全转移与群众疏散任务。抗击作战中，虽敌我众寡悬殊，但我军士气高昂。1纵队全体指战员在“保卫党中央、保卫毛主席、保卫陕甘宁边区、保卫革命圣地延安”口号鼓舞下，发挥了高度的战斗积极性和顽强性，按照中央军委指示，采取“利用地形组织短促火力，大量使用手榴弹、地雷杀伤敌人；掌握预备队，灵活反击夜袭歼灭敌人”等战术手段，与敌人反复争夺，使敌每占领一地都要付出相当大的代价。同时，1纵队各级指挥员从中进一步了解了敌军的战斗力及其战术特点，有利于以后的作战指挥。
20日中午，彭德怀率领指挥机关抵青化砭西北的梁村。他在这里召开司令部全体人员会议，正式组成西北野战兵团指挥机构，张文舟和王政柱分任正副参谋长，徐立清任政治部主任，陕甘宁边区政府副主席刘景范兼野战兵团后勤司令。司令部工作人员共五六十人。
不出西北野战军首长所料，胡宗南集团占领了延安空城以后，一时自鸣得意，忘乎所以。胡宗南认为“共军溃乱，难以立足”，妄称3个月内占领整个边区。其前进指挥所由洛川移至延安，整编1军军部率领整编1、27、90师共7个旅及整编15师135旅集结在延安、拐峁、姚店子地区，整编29军军部驻守延安，整编36师123、165旅及整编17师12旅集结在延安以南七里铺、十里铺、二十里铺、观音桥一线地区。西北行辕青宁二马（马步芳、马鸿逵）集团乘胡宗南集团接近延安并“钳制”我军主力后，便乘机出动以示配合，3月18日始向我三边、陇东庆阳两分区进犯，并占领我盐池、庆阳等地。榆林邓宝珊部也向我横山等地进攻。
胡宗南急于寻找我军主力决战，从其机动兵力中抽出整编17师48旅、整编27师47旅、整编38师55旅及整编76师24、144旅共5个旅兵力，加上延安地区5个整编旅，部署在延安及其以南占领地区，保障其后方交通运输线安全；以整编1、17、27、36、90师等部10个旅兵力，寻找我军主力决战。其企图是：如中共中央和西北野战军向西北撤退，即以青宁二马主力从庆阳、环县、定边之线堵击，以胡宗南主力经安塞北上，从北、西、南三面夹击聚歼我军于志丹县（保安县）、吴旗县（吴旗镇）地区，或驱赶我军北上绥蒙沙漠地区；如我军向东北撤退，则以榆林邓宝珊部沿无定河向南，以胡宗南集团沿咸榆公路北上，南北夹击，逼我军于佳县、吴堡地区就歼或赶过黄河。
3月19日，西北野战军首长命令1纵队，除以独1旅2团2营在延安西北地区节节抗击、诱敌北进外，其余隐蔽集结在安塞以北地区。21日，胡宗南被我独1旅2团2营佯动所迷惑，误以为我军主力已向安塞方向撤退，遂令整编1、90师共5个旅附整编27师31旅91团向安塞方向急进；同时命令整编31旅（欠91团）向青化砭前进，担任侧翼警戒。
当晚，西北野战军得此情报。为抓住战机，野战军首长决心采取伏击战术，坚决迅速歼灭北犯青化砭之敌整编31旅，打好撤离延安后第一仗。22日晚和23日拂晓，我各纵、旅奉命隐蔽集结在马庄、梁村、常家塔、元龙寺等地区，勘察地形，封锁消息，准备伏击歼敌。
3月23日，彭德怀、习仲勋致电各纵、旅并报军委，决定于24日以待伏动作，在青化砭地区歼敌整编31旅。
青化砭位于延安东北30余公里处，南北为15余公里蟠龙川，咸（阳）榆（林）公路蜿蜒其间，东西两侧山地起伏，便于部队隐蔽和出击，敌军若进入青化砭，就象钻进了一条长长口袋，是我军打伏击战的理想战场。依据敌情和地形，我军主力部署在青化砭附近蟠龙川东西两侧及其以北地区。具体部署：1纵队位于西山，2纵队和教导旅位于东山，新4旅位于青化砭东北，布成“口袋”形阵地，待敌尾部通过房家桥后，便迅速扎紧“口袋”，截断敌之退路，猛烈夹击歼灭。另以独1旅为预备队并负责监视安塞、延安方向之敌。当日，彭德怀、习仲勋带领旅以上指挥员到青化砭察看四周地形，现地区分战斗任务，具体部署兵力，确定攻击路线及抢占要点。
24日拂晓，各部队隐蔽进入冰雪未融的阵地卧伏。当日，敌整编31旅因在拐峁补给未前进。18时我各部奉命返原集结位置，25日凌晨4时左右再次进入各自设伏阵地。6时许，敌整编31旅由川口、拐峁出发，分别以便衣20余人沿公路西侧山梁和1个连沿公路东侧山地搜索前进，主力沿公路北进。10时左右，其先头部队进至青化砭附近，本队进至石绵羊沟一带，后卫通过了房家桥，完全钻进了我军伏击圈。当敌先头进抵我阵地前时，358旅715团立即开始射击，阻敌前进；敌一部开始向南溃退，716团以迅猛动作打乱敌之队形，且以1、3营分头向林坪、帐子沟同时出击；8团已按计划向敌出击。敌尖兵连占领寺沟西北高地构筑工事，一部继续向715团前沿阵地攻击前进；敌后续部队拟抢占沟东高地。此时，东山2纵队及教导旅、新4旅以排山倒海之势向敌展开冲击，8、715团也同时向敌猛烈突击。敌整编31旅未及展开，即被我压缩在十四五里长、二三百米宽的山沟里，首尾不顾，乱成一团，经1小时47分钟激战，全部被歼，无一漏网。
此役，我军共歼敌31旅旅部及其92团计2993人，俘敌少将旅长李纪云、少将副旅长周贵昌、少将旅参谋长熊宗继和92团上校团长谢养民，缴获迫击炮32门、轻重机枪162挺、步枪1210支、子弹近30万发。其中，1纵队毙伤敌300人、俘敌31旅旅长李纪云以下612人，缴获各种枪支335支及其它军用物资。这是我军撤离延安后的第一个胜利，创造了速战速决的典型战例。
3月26日，毛泽东致电彭德怀、习仲勋：“（一）庆祝你们歼灭31旅主力之胜利，此战意义甚大，望对全体指战员传令嘉奖。（二）135旅可能向青化砭方向寻找31旅，望准备打第二仗。”在青化砭战役前后，陕甘宁晋绥联防军代司令员王世泰率领警1旅3团、警3旅5团，根据彭德怀关于收复关中、向敌后开展游击战争的指示，在南线敌后积极开展游击活动，配合野战军主力作战，连续取得了五亭子、高儿塬、柳林、铁王、土桥等战斗的胜利，歼敌1000余人，解放了土桥、通润、关庄、梁庄等地区，使胡宗南集团主力补给线与后方安全受到严重威胁。胡宗南急调其整编10师83、85旅各一部至耀县，并配合占领关中分区等地之敌，对关中我军进行“清剿”。4月4日，南线我军在小恒子地区设伏，一举全歼美械装备的国民党军整编83旅248团3营500余人，粉碎了胡宗南的“清剿”计划。关中全境随之收复。尔后，警1、3旅即以关中分区为依托，向敌后突击，破坏咸榆和西兰公路，相机消灭国民党军有生力量，配合西北野战军在延安以北作战。