丝网或地雷，大小碉堡可互相支援，形成交叉火力，之间以交通壕连接。集玉峁东几百米处，有一个高于集玉峁的土山包，叫集玉圪垯，敌驻守了一个加强连，将其削成陡壁，辅以外壕、铁丝网，山上是环形交通壕，修好了向外的射孔。要攻占蟠龙，能否夺占集玉峁是其关键，而夺占集玉峁的重要一环，又是攻克集玉圪垯。攻克集玉圪垯的任务落在独四旅十三团二营身上。
十三团二营当天黄昏前展开攻击，连续猛攻数次，均未奏效。王震在独四旅指挥所呆不住，跑到十三团、十四团的指挥所，令部队暂时停止攻击，开展军事民主，让大家想办法。十三团团长王文礼、政委曾光明到二营召集营连排干部和爆破组、突击队员开“诸葛亮会议”，讨论如何打上去。战士反映三次攻击都攻入外壕，但转来转去都找不到可攀登的路。会上讨论的结果是用加大药量的炸药包并排横放实施爆破的办法，破坏敌外壕陡壁。
二营遂展开第四次攻击。在火力掩护下，以数个爆破小组突入外壕，将炸药包横排，用事先准备好的木叉顶在陡壁上。爆破后，陡壁被炸滑坡形成了可以攀登的斜坡，突击队配备冲锋枪，一举突入，后续部队也随之杀入，与守敌展开肉搏战，敌伤亡惨重，被迫弃阵而逃。
敌军之顽强也是出乎意料之外的。彭德怀5月4日凌晨给军委的电报中称：“敌敢于白刃战，昨黄昏前夺取蟠龙东南一高山阵地（一连据守），仅俘二十人，余均被刺死”。过去认为胡宗南部整一军“不能夜战，恐惧我之手榴弹与刺刀，缺乏肉搏勇气”，但这一战斗表明，在特殊环境下敌军仍有困兽之斗的可能。
不仅于此，敌军还实施了反击。集玉峁主阵地以一个连兵力在炮火掩护下向集玉圪垯反扑，企图夺回失去的阵地。但二营准备充分，占据集玉圪垯后立即迅速改造工事，将射孔改向集玉峁方向。当敌进至手榴弹距离时，突然以手榴弹、步机枪火力打垮了敌人的反扑。该敌在我各种火力打击下，竟无法重新退回集玉峁，被迫顺山沟逃回蟠龙镇。这使得集玉峁之敌守军又减少了一个连的兵力，为之后的攻击创造了有利条件。反击战斗中，该团一参谋（营级）梁树德被集玉峁山上敌山炮击中牺牲。
十四团也是以二营为第一梯队发起进攻。上午以四连冲至敌主阵地前，因无法越过外壕，与敌隔壕对峙，互掷手榴弹，相持十余分钟后，不得不退回冲锋出发地。随即以四、五两个连和十三团五、七连再次向敌冲击，仍不成功。新四旅十六团二营也以1个连配合攻击，但猛攻数次，均未能奏效。
彭德怀决定暂停攻击，总结经验教训，讨论如何夺取敌阵地。当日上午，王震在独四旅指挥所用望远镜看见两名已经攻到铁丝网和外壕边的战士仍在不停地向敌外壕挖坑道，和顿星云研究后，向彭德怀建议用对壕作业的办法继续攻击，得到了同意。十四团立即展开对壕作业，至当日中午前，完成了任务。
集玉峁的地形险要，只有东面和北面有斜坡可上，故此敌工事、火力均集中于这两个方向。独四旅旅长顿星云、参谋长马森反复观察，认为南面是敌防御的薄弱环节。南面有一条300多米长，20多米深，30多米宽的沟，沟两边是黄土质悬崖，顿星云等令十三团派一个连，于前一天夜间在悬崖上秘密挖掘小道，并在悬崖顶端我方斜面上，分散挖掘了能隐蔽1个连的猫耳洞。十三团以第二连负责挖掘任务，拂晓前完成，换下二连休息，以第六连带干粮和水进入猫耳洞，执行突击任务。
当日下午15时，二纵将炮火移至集玉圪垯东山准备向敌行抵近射击时，发觉敌已经动摇逃窜，遂未待炮火掩护即发起攻击，暗壕里的部队偷至敌外壕边炸开缺口，十三团乘浓烟弥漫之机突入外壕，迭成人梯越过外壕内壁，将敌投弹组打垮。山后之敌的反冲击又被事先准备好的手提机枪组击溃，遂乘势攻上敌人大碉堡。十四团、新四旅部队亦相继突入，各自消灭了集玉峁西侧和北侧之敌，迫使残敌向第二主阵地——苦菜梁——逃窜。据王恩茂日记，“该主阵地原是敌一六七旅四九九团二营五连，因该连长负伤换四连守备，被歼灭的则是四连”。
新四旅3日上午和中午，亦以七七一团的第一、第三营两次猛攻集玉峁阵地，均未得手。下午，三营在阵地上召集七、九两连干部开会，研究攻击失利原因和再次攻击的办法。七七一团令该营后撤至安全地带休整，准备翌日继续攻击。但三营长夏其雨考虑部队后撤须通过敌火地带，将遭致伤亡，向团建议不后撤。团长吴宗先、政委张世功采纳了这个建议。
与二纵相比，一纵方向进展十分缓慢。3日黄昏，第七一六团以第二营向蟠龙以北高地攻击，因对敌之工事没有查清，障碍物未破坏就发起冲击，因而受挫。夜间又以第一营攻击，也未突破。4日拂晓前，三五八旅以第七一五团一营配合七一六团冲击数次，仍未成功。3日黄昏后彻夜攻击，均无效果。3日下午，第八团配属独一旅，以一部协同第二团对磨盘山的攻击，除该团九连攻击小庙梁，在连长吴章友周密组织下，一举攻克敌3个碉堡外，其余攻击因准备不足，协同不够，火力组织不好等原因，均未能攻下。纵队鉴于蟠龙以北小高地工事坚固不易接近，遂令部队4日拂晓开始对壕作业，以迫近敌碉堡，排除障碍，准备下午攻击。
二纵当晚以独四旅十四团协同新四旅攻击苦菜梁。十四团布置以一营配合新四旅部队攻击北山，三营攻其中间山头，二营为预备队。3日22时，十四团一营进至苦菜梁以东隐蔽集结，23时与新四旅同时发起冲击，将敌铁丝网破坏。之后，攻击部队连夜挖好交通壕，进行攻击准备。
次日上午虽有敌机来袭，但独四旅观测到“敌人与其飞机的联络信号是白布摆工人二字，红布摆单括弧形，工人二字相距约两步”，十四团一营于上午11时击落敌机一架，敌机坠落在青化砭附近，减少了来自空中的威胁。
4日12时，随着掩护的山炮轰击，攻击部队向敌北山和中间山头发起冲击。十四团一营与新四旅七七一团一、三营在20分钟之内向敌连续冲击4次，终于突入敌第二主阵地并将其占领。至此，敌纵深防御体系基本瓦解，“蟠龙完全在我火力控制之下”，蟠龙守敌全线动摇。为进一步动摇敌人的斗志，王震还释放了集玉峁战斗中俘虏的敌营长，并写了一封亲笔信，让他带给李昆岗，令其投降。
一纵得知蟠龙东山已经被攻克，东面已无顾虑，令第七一五团两个营在炮火掩护下，向敌猛攻，经数十次冲击，皆因敌外壕未破坏及缺乏通过器材，未能成功。纵队决定由东西两面攻击，激战1小时后终于攻克了敌阵地，歼敌大部。退集镇内之敌千余人向西北方向突围，一纵即令二团、七一四团一部监视小庙之敌，七一五团攻击蟠龙北小高地，其余部队向突围之敌突击，将敌击溃并俘虏千余人。
独四旅之十二团奉命攻击蟠龙镇南面，该团3日黄昏占领窑坪后，继续攻击蟠龙东南山头敌前沿阵地，三营占领敌阵地西北角后，因仓促投入战斗，准备不充分，夜间联络困难，缺乏配合等原因，攻击未能奏效。4日，当十四团占领苦菜梁之后，十二团再次发动攻势，但部队进至铁丝网外收到正面及两侧敌火射击，不得不后撤。黄昏时，在一纵配合下攻克了南山敌阵地。
黄昏后，十四团、一纵、新四旅部队居高临下，向敌猛攻，由南面突入蟠龙市街。19时15分，十三团由苦菜梁沿蟠龙以东小沟追击逃敌，也顺势突入蟠龙市街。十二团亦由东南相继突入。至当晚24时，镇内之敌全部就歼。剩下被一纵七一四团围困于小庙的敌人1个排仍据险顽抗，在被俘军官喊话劝降后，也不得不放下武器投降了。至此，战斗全部结束。
教导旅的任务是在青化砭以北阻击南面敌可能的援军，并扫清外围敌反动武装。该旅当日黄昏（9时半）向平步塔地区攻击，未经什么战斗，就将陕西自卫军第三总队千余人俘获。这些自卫军的纪律极坏，俘虏中发现有强拉民女在工事里，也有的妇女在做饭蒸馍。二团长王季龙是陕北人，拉出俘虏中一个当头的喝问为什么要拉妇女，那人狡辩说是为擀面条，结果被王季龙抬手一枪给毙了。王余怒未息，还要再拉人出来枪毙，被政委关盛志发觉制止。
3日该旅集中于青化砭附近，彭德怀去电估计当晚或第二日晨可攻下蟠龙，判断敌一军、二十九军9日方能回到蟠龙附近，故此打算继续歼击青化砭之八十四旅，要该旅准备。但4日敌四十八旅增至青化砭，协同八十四旅倾巢出动，在2辆坦克、3辆装甲汽车的配合下，向蟠龙增援，被教导旅二团阻击于孙家崖以南山地。当晚在坦克掩护下继续进攻，5日拂晓攻击平步塔至何家沟山地，教导旅二团向东转移。此时蟠龙已经被攻克，增援之敌于5日晨8时撤退，连青化砭也不要了，沿公路以西山地一直向拐峁撤下去，教导旅见诱敌未成，发起追击，但也没能抓住敌主力。一团当晚占领了青化砭。
据国民党军的报告，其主力5月2日由槐树湾附近向绥德攻击前进，“沿途击破匪三五九旅、新四旅等主力之逐次抵抗，九时占领绥德西南五里铺高地，匪凭坚固工事顽抗，我整九十师主力绕匪右翼，而整一师在我两军之间地区钻隙突入绥德，经三小时之巷战，于午刻占领绥德县城”，“绥德残匪纷向西北逃窜”。5月3日整一军以一部续向北追击，迄4日上午与南下之榆林邓宝珊部在米脂会师，形式上打通了延榆交通。
类似的铺陈战绩在国民党军内部是司空见惯的，但由此却引发了一场激烈的争吵。蟠龙战斗中，李昆岗和胡宗南保持着极密切的电讯联系（电报和无线电话），胡宗南整夜坐在延安指挥所的窑洞里等候消息，直到蟠龙守敌被全歼，失去联络为止。最初是董、刘部到绥德后向蟠龙讨要粮草，蟠龙守军则要董、刘回援。胡宗南根据董、刘的报告，判断共军主力在绥德以北，怎么会跑到蟠龙来？据此将李昆岗严厉训斥一通。李昆岗这里遭到共军猛烈攻击，外围阵地尽失，以此报告胡宗南，胡又回头对董、刘大发雷霆，骂他们混账透顶，上了共军的当。董、刘自然不服，鸣冤叫屈，要上级实地调查。胡宗南派飞机空中侦察，结果证实黄河西岸从军渡到黑峪口一线，确有大批船只欲渡河。胡宗南遂又反过来再臭骂李昆岗。如此折腾数番，都没搞清楚共军主力真正所在。反倒被早已掌握胡宗南部上下联络的共军偷听得一清二楚，当做笑话讲。
直至4日清晨，胡宗南才下达了回援蟠龙的紧急命令。绥德离蟠龙不过二百五十里，急行军三日可达，可经由田庄、石咀驿向西南趋折家坪、永坪，或沿董兵团向绥德进军时的老路，经裴家湾、王家湾、瓦窑堡至蟠龙。但董、刘却担心西野在九里山附近（石咀驿东侧）或原来老路上设伏以待，遂“妙想天开”，选定所谓“出敌意外”的道路，即由绥德先向西再折向南的远路。这一条路有的地方是只能单人通行的羊肠小道，数万大军排成一字长蛇阵，昼夜兼程，也足足化了四天才到蟠龙。这时除了空城一座，伤兵数十之外，什么也找不到了。
蟠龙战斗战果及三战三捷对战局的影响
根据5月5日西野上报的战斗结果，中央军委通报各地：此战除毙伤外共俘虏六千五百余人，其中一师一六七旅（缺一个团）四千五百人，陕保两千人，副旅长、参谋长、团长均被俘，旅长闻亦被俘。
不久后公布的清查战果称，“计生俘旅长李昆岗、副旅长涂健、政治部主任陈献金、参谋长柳届春、团长肖伯廉、副团长傅玉遵等以下五七一三名，毙伤其一四零零名，缴获山炮六门、迫击炮六门、火箭筒三个、六零炮十八门、重机枪十八挺、轻机枪一一一挺、步枪二三二八支、司登冲锋枪一二八支及短枪、信号枪、枪榴筒等，子弹廿余万发、骡马千余头、汽车两辆、击落蒋机一架，军需品除洋面一万两千袋、军衣四万套外，尚有军鞋一部及电讯器材等甚多”。我军伤亡失踪合计1549人，其中负伤1256人，阵亡293人。
一纵毙伤俘敌共3923名（其中三五八旅毙伤敌800人，俘敌1807人；独一旅毙伤敌322人，俘敌949人；纵直俘敌45人），一纵伤亡等共748人（伤亡732人，其他16人）；二纵打的是硬仗，缴获反而不多，共俘敌旅长李昆岗以下六百七十一人，缴获各种炮十九门，各种枪三四七支，伤亡不详；据独四旅、新四旅俘敌总数2269人推算，新四旅此役俘