钟松及旅长李日基带少数残敌逃跑外，大部被歼灭。
20日14时共军教导旅与新编第4旅向国军第123旅发起攻击，由于指挥灵活果断，部队协同密切，作战勇猛顽强，国军虽数次向西反攻，企图与其师主力靠拢，终未得逞。敌旅长刘子奇见援兵不到，向西靠拢无望，部队伤亡严重，遂率残部突围。
共军乘敌脱离阵地之机，再一次发起猛攻，黄昏前，该敌被全歼。
第3纵队及绥德军分区第4团、第6团，在国军第123旅回援其师主力时，除以一部兵力尾击该敌牵制其行动外，主力在乌龙铺西北地区展开，阻击西援之整编第29军军部和第55旅、第12旅。战至当日黄昏，未使该敌通过青阳川，保障了野战军主力全歼敌整编第36师的战斗。
此时，由于葭县之敌整编第90师已尾随其主力西进，共军即迅速撤出战斗。
此役，西北野战军共歼国民党军6000余人。至此，扭转了陕北战局，西北野战军转入了战略反攻。
沙家店战役是扭转陕北战局的关键一仗，基本粉碎了国民党军对陕北的重点进攻。中共中央高度评价这一仗对全国战局的重大意义，指出:“经此一战，局势即可改变。”
23日，西北野战军召开旅以上干部会议，毛**、周恩来、任弼时到会向指战员们祝贺胜利。毛**说:“沙家店这一仗确实打得好，对西北战局有决定意义，最困难时期已经过去了。”
赵继统将毛**的讲话内容交给蒋经国，这位“太子”激动的说道：“三月青化砭、四月羊马河、五月蟠龙、七月榆林、如今又来了个沙家店，胡宗南这个**
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