彭德怀下令，坚决把一二三旅消灭掉，不能让它往西靠。于是整编三十六师就被分割在两个地区，全部被围，分别遭到攻击。
胡宗南得到钟松的求援呼号，才知情况不妙，急令刘勘回援，又电令一二三旅旅长刘子奇“固守待援，将派飞机参加战斗。”
但是刘勘所率主力被第三纵队等阻援部队阻拦，难以前进，连他的警卫部队都被冲散，援救难以得逞，直到黄昏，离钟松的阵地还有三十多里。
此时孤立无援的钟松眼看不能坚持，阵地连续丢失，电台也被击毁，各方联络不上，无奈之中，只好与一六五旅旅长李日基等换装，乘夜逃走了。野战军经过激战，于当日黄昏全歼了整编三十六师师部及两个旅，共六千余人，俘敌旅长刘子奇等。
沙家店一仗粉碎了敌人对陕北的重点进攻，化险为夷，扭转了西北战局，成了一个重要的战略转机的开始。从此，西北战场就从被动到主动，野战军也从防御转为了内线进攻，整个陕北军事形势为之改观。
8月23日，彭德怀在东原召开旅以上干部大会。毛泽东、周恩来、任弼时等中央领导人亲临会场，向指战员们祝贺胜利。毛泽东在会上称赞沙家店一仗打得好，用湖南话说，陕甘战争已经过坳了。他称赞彭德怀用兵神奇，抓住短暂时机，用一天时间打了一个大胜仗。毛泽东随后即兴作诗，其中“谁敢横刀立马，惟我彭大将军”二句成为对彭德怀作为一个出色的军事家形象的最好的肯定和赞扬。