1945年9月，劉鄧下決心奪取長治城。

長治是上黨地區的首府，是日軍侵華期間三十六師團的駐地，是一個重點設防的城市。深溝高壘，城墻高三丈有余，工事堅固，閻軍主力萬人據守。連日傾盆大雨，地面泥濘，爬城極為不便。解放軍缺乏炮兵，打長治比打外圍小城困難得多。但是預定上黨戰役只能打一個月，現在已經打了近20天，如果在堅城之下久攻不克，平漢、同蒲大門洞開，問題就大了。 9月20日，劉鄧下令:“決心以勇猛、迅速之作戰，奪取長治城，最后殲滅侵入上黨之敵。”

但是，打這一仗，得準備閻錫山來援；或者城內守敵史澤波頂不住強攻而突圍，也符合理想。即在野戰中殲敵，最為合算。于是，劉伯承對史澤波采取“圍三闕一，網開一面，虛留生路，暗設口袋”的戰法。

戰至9月24日，劉伯承已經攻克多處外圍據點，情報來了：閻錫山派出了3個師7000多人增援史澤波了！于是，劉鄧把攻城的決心轉變為攻城吸打敵援，命令陳再道指揮冀南隊和一部分其他軍隊繼續攻城，但不是真攻而是佯攻，不過要做成真攻的樣子，還要擴大攻城的聲勢，以加急長治守敵呼救之聲，促援敵快快前來。 打援的部隊則分為左右兩翼，右翼隊由李達和陳錫聯指揮，以太行縱隊為主，還有其他部隊。左翼隊由陳賡指揮，以太岳縱隊為主，還有其他部隊。又派一個獨立支隊到北面，由北面尾擊南援之敵。這又是一個鉗形攻勢，又是一個口袋陣。這個陣勢擺在白晉線兩側。

劉鄧打援的命令剛剛下達，第二天，9月29日，又發現援軍不是三個師而是五個師，不是7000人而是12000人。劉伯承不為所動，仍以一萬人打長治，兩萬人打援，且陣勢不變。誰知一天之后，敵情又發生變化。9月30日，援敵突然離開白晉線。 沿虒亭、屯留間公路前進。敵變我變。劉伯承順勢轉移兵力于虒亭、 屯留公路兩側，陳錫聯為右翼，陳賡為左翼，依然是鉗形攻勢。同時，改右翼隊的17師與獨立支隊(30團)尾敵援軍跟進，還是一個口袋陣。 劉鄧指揮部由黃輾前移到西北的中村。

10月2日，打援主力遭遇閻軍于預期地區，當即從正面誘敵繼續前進，并扼住虒亭，斷敵退路，將敵援軍合圍于老爺嶺、磨盤垴至榆林地區。閻軍發現被圍，立即利用山地構筑工事，進行防御。

這是三座鼎足對峙的山峰，地勢險要，自古為軍事要沖，據守這個地方，易守難攻。閻軍火力很強，八路軍彈藥十分缺乏。一天夜里，劉伯承由李達和陳錫聯陪同，到前沿部隊視察。他聽到前線槍聲特別稀疏，怔了一下，問：“為什么槍聲這么少？”

陳錫聯答道:“現在每個老兵只有五發子彈。我們正在想辦法抓俘虜。抓到一個閻錫山的兵可以得到兩百多發子彈。他們每個兵都攜帶有三百發子彈，一百發自己用，兩百發是送到長治去的。”

劉伯承聽了高興起來，說：“消滅這股敵軍，油水不小哩！”

這時他才明白，這股援軍之所以前進得這么慢，負荷太重了！

激戰幾天以后，又使劉伯承大吃一驚，原來援軍不是最初得知的7000人，也不是后來偵知的12000人，而是20000人，不是五個師而是八個師，還有兩個炮兵團。總指揮是第七集團軍副總司令彭毓斌，副總指揮是胡三余兼炮兵司令。雙方兵力都是兩萬人，旗鼓相當。但是劉伯承必須速戰速決。為此，劉鄧當機立斷，改變部署，從長治一萬圍城部隊中，調陳再道冀南縱隊6000人，火速趕來，投入打援戰斗；留下地方部隊繼續圍攻長治城。劉伯承下令陳再道：“白天開進，示形于敵，叫敵人聞風喪膽，加劇軍心動搖。”

為了不叫被圍的敵援軍作獸之斗，劉伯承又采取圍三闕一的辦法，在北面敞開一個口子，給敵人虛留一條生路，以便在運動中予以分割包圍殲滅。他下令部隊猛攻陣地兩翼的磨盤垴和老爺嶺，壓迫敵人脫離陣地北逃。于是，陳賡縱隊20團的一支小部隊從東側迂回攀登，占領了兩個小山梁，接著占領了山北的水源。閻軍本已十分饑疲，又陷入了干渴的困境。

在劉伯承急切的等待中，陳再道冀南縱隊來到了。他們從左右兩翼隊的中間，貫串到底，與陳賡左翼的追擊部隊會合于榆林以北的趙村。

10月5日，左翼隊攻克老爺嶺主峰，20團團長楚大明從望遠鏡中發現，敵人的馬屁股朝南，人的臉朝北。他說:“看來敵人要跑。”旅長劉忠報告陳賡，陳賡來到老爺嶺山上，用望遠鏡看了又看，一聲不響。縱隊副司令員王近山說:“司令員，可以下決心了，敵人是要跑。”陳賡下令劉忠趕快追，說:“這個情況只有我們在這個方向才看得見，趕快報告劉鄧，并通知友鄰部隊。”

陳賡的腿負過傷，走不快，他走到路邊，爬在坡坎上，向他的部隊作動員:“快追，趕到敵人前頭就是勝利。沿途不準抓伴虜，不準發洋財，堵住敵人就是勝利，目標土落村！”

于是，各路打援部隊猛烈穿插追擊，敵人潰不成軍，紛紛繳械投降。 后方人員，參戰民兵和附近老百姓也奮起捕捉潰散的敵人。到 10月6 日，這兩萬援軍，除了約2000人逃入沁州城以外，全部被殲。援軍總指揮彭毓斌在突圍中被擊斃，副總指揮兼炮兵司令胡三余等十多名高級軍官就擒。 劉伯承高興地說：“圍攻長治城釣了一條大魚。”

閻錫山援軍被全殲兩天以后，10月8日，史澤波從長治向西突圍。 劉伯承早已料到這一步，命令圍城部隊跟蹤追擊，又命令已騰出手來的太岳縱隊從虒亭地區直出沁水兜擊。12日，史澤波就擒，上黨戰役結束。 這一戰役，劉伯承殲閻軍11個師和一個挺進縱隊，共計35000多人。劉鄧部隊傷亡約4000人。 劉伯承以31500人，殲滅了敵人35000人，打了一個在戰場上以少勝多的大殲滅戰。事后劉伯承說:

“有人問:你們為什么在上黨戰役中能把敵人消滅得干干凈凈？回答是，因為我們的攻勢是鉗形的，袋形的。假若和敵人牛抵角，最多也不過是把敵人打退而已。”

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