共军主力，乃急令第123旅星夜向沙家店靠拢。但第123旅畏遭伏击，害怕夜战，当夜仅令配属的第493团先行驰援。
8月20日拂晓共军各部到达指定位置并向国军发起攻击。第1纵队首先以第358旅向沙家店东南高地攻击，独立第1旅主力向沙家店以南敌阵地攻击，激战至上午10时，占领沙家店、均家沟以东一线高地。第2纵队以独立第4旅向张家坪南、西南高地之敌展开攻击，第359旅从独立第4旅左翼向常辛庄以南高地之敌攻击，经数小时战斗后，连续攻占前沿阵地多处。
20日10时左右回援之第493团沿吴家沟川道与其师主力会合。在当日4时才出动西援之敌第123旅此时也进到常家高山附近，企图占领常家高山北侧高地，掩护其师主力东窜，当即遭到新编第4旅迎头痛击。
国军为抢占这一要点，竭尽全力实施进攻，战斗十分激烈。此时，原定从第2纵队左翼加入战斗向敌整编第36师主力攻击的教导旅赶到，并根据敌情的变化，当机立断改变了原来的突击方向，主动向常家高山方向投入战斗，迅速与新4旅沟通联系，密切协同，完成了对第123旅的包围。
至此，敌整编第36师师部及两个整编旅分在两地被包围。
20日午后第1纵队、第2纵队密切配合，向整编第36师主力进行了猛烈的攻击，战斗到17时，国军主要阵地均被共军占领。国军伤亡惨重，待援无望，遂企图逃窜。
第1纵队即令各部向敌纵深**，进一步割裂敌人部署，断敌退路。1小时后，国军全线崩溃，共军迅速发起追击，整编第36师师部及第165旅除师长
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