10月28日拂晓，赵文治团800余人由毛沟门西辛家沟、南侧山岭两路袭来。担任警戒的红军战士发现敌骑尖兵后，迅速鸣枪报警。这时，刚刚起床的红军战士，有的在操练，有的帮助群众打扫院落，归还用物。听到警报，各部迅速集结。刘志丹、王泰吉接到报告，命令耀县三支队占据毛沟门西玉皇庙岗阻击敌人，陕北一支队掩护群众转移，红军指挥部、红四团等部迅速占领墩梁山有利地形。刘志丹、王泰吉率指挥部机关及警卫连刚登上墩梁山前的陈家峁，毛沟门已传来激烈的枪声，一场恶战已拉开阵势。这时，刘志丹又从望远镜中发现，谭世麟民团的马队已集结在墩梁山北侧的蒋塬上，企图切断红军东去的退路。红军腹背受敌，形势更加险恶。刘志丹命红四团骑兵连掩护在毛沟门阻击敌人的耀县三支队向墩梁山撤退；强世卿率部分战土占领墩梁山以东毛畔山一带制高点，阻击谭部，防止其从后偷袭。刘志丹和王泰吉迅速查看了周围地形：陈家峁是一道由3座山峁相连的山岭，南通寺沟，北接赵沟，西临元城河，山下坡度平缓；东靠墩梁山，中间有一道崾岘相连；墩梁山山高坡陡，山坡上长满狼牙刺等灌木，中间有3条硷塄，山顶上有一座高耸的古烽墩，地形对红军守卫十分有利。刘志丹、王泰吉与其他领导根据红军人少武器差的实际，果断决定，在墩梁山设伏歼灭这股顽敌。

上午9时，红军已全部撤至陈家峁，赵文治团大队人马也已涉过元城河，在机枪的掩护下，由谷家坬、柳树坬、石沟阳山三路嚎叫着向山上扑来。刘志丹、王泰吉命指挥部机关向墩梁山东侧石沟湾掌转移，少年先锋队扛着红旗沿东山岭前进，佯装逃走，迷惑敌人；红四团、义勇军、耀县三支队的精兵在墩梁山坡埋伏，集中全军手榴弹供伏兵使用；红四团骑兵连和指挥部隐蔽在山顶烽墩后，严阵以待；留少部红军在陈家峁阻击敌人，边打边退，诱敌深入。赵文治团没有遇到多大抵抗就顺利登上了陈家峁，赵文治看到红军向东撤退，以为红军惧其淫威，怯战逃跑，即令其部队紧迫不舍。敌军依仗人多势众，武器精良，根本没有把红军放在眼里，毫无顾忌地蜂拥向墩梁山冲来。在山顶指挥的刘志丹望见敌军大部翻过崾岘进入伏击圈后，一声令下，埋伏在灌木、草丛中的红军战士一排排密集的子弹射向敌阵，跑在前面的敌人一层层倒下；一束束手榴弹在敌群中开花，炸得敌人血肉横飞。霎时，墩梁山坡前硝烟滚滚，马嘶人叫。枪弹声、喊杀声震撼山谷。骄横一时的赵文治团被突如其来的袭击打得晕头转向，惊恐万状，哭爹喊娘，不战自乱。刘志丹乘机下令红军全线反击，在嘹亮的冲锋号声中，刘志丹、王泰吉、王世泰等红军指战员身先士卒，分别带领各部向敌人冲去。红军战士犹如猛虎下山，个个英勇无比，敌军全线崩溃。躲在陈家峁的赵文治见势不妙，急忙乘马在护兵簇拥下逃之天天。敌军失去指挥，群龙无首，如乌合之众，大部分丢掉枪械，抱头鼠窜；有的干脆跪在地上，举起双手等着当俘虏。红四团骑兵连将一股逃敌六七十人追至岭南杜梨树山全部活捉。红军其他各部从陈家峁南、北、中三路将敌直追至沟底，残敌丢下留在川台上的武器、弹药等辎重，仓皇沿元城川向南逃去。躲在蒋塬的谭世麟原与赵文治约定，由赵部正面进攻，谭部在红军背后夹击，但狡猾的谭世麟曾多次与红军交手，屡遭惨败，深知红军的厉害，这次又生怕吃亏，从开始就留了一手，见红军占领山头，就按兵不动，坐山观虎斗，等待红军失败后再从背后进攻，当看到赵团溃败后，就来了个脚底抹油，1留之大吉，急忙率部退回元城。

毛沟门战斗，红军以少制胜，击败数倍于己的强敌，从墩梁山至陈家峁下，敌兵横尸遍野。清理战场，共打死打伤敌人120多人，活捉100余人，缴获各种枪械200余枝及大批弹药、辎重等。侥幸逃脱之敌，也被红军吓破了胆，成了惊弓之鸟。退到悦乐上堡子的赵文治残部当晚又被谭世麟民团驻下堡子阎拐子连假装成红军缴了不少枪支弹药，只得连夜逃走。逃回庆阳城的残兵败将不足300人。赵文治团从此一蹶不振，再也没有恢复团的建制。大获全胜的红军，在刘志丹、王泰吉率领下，押着俘虏，带着战利品当晚宿营柔远川大沟门、鸭儿胍一带，稍作休整后，又继续东进，踏上开辟南梁革命根据地的征程。