中共中央遂以第2纵队第359旅一部、第3纵队独立第5旅及绥德军分区部队伪装主力，引诱国军主力继续北上；以第1纵队独立第1旅、警备第3旅各一部组成南进支队，威胁其侧后；集中第1纵队第358旅、独立第1旅和第2纵队独立第4旅及新编第4旅共4个旅的兵力攻取蟠龙；并令教导旅位于蟠龙以南，第359旅主力位于永坪以东准备阻敌主力回援。
西北野战部队首先夺取了蟠龙东山守军主阵地，随即攻占全部外围阵地。接着发起总攻，全歼守军6700余人，缴获面粉1.2万余袋、服装4万余套及大批武器、弹药。
蟠龙战役，连同在此之前的青化砭、羊马河战役，西北野战部队三战三捷，共歼国民党军1.4万余人，从而稳定了陕北战局，为转入战略反攻奠定了基础。