1935年5月20日，前总率领红军主力兵团，从秀延县（即安定县北区）的玉家湾、黄家川、路家寺、王家沟、魏家岔一带出发，直抵清涧县无定河边。而敌人对红军的行动毫无觉察。我方乘机奔袭了张家圪台守敌八十四师四九九团1个连，并轻而易举全歼。同时，重创驻苏家岩敌派出的增援兵力，击毙敌连长及部下20余名，共俘敌150多人，缴获长短枪百余支，轻机枪6挺。
张家圪台的战斗是为了给敌人造成错觉，诱敌到北线来。红军主力兵团早于5月22日开到清涧县的店子沟一带摆出要打清润、绥德、并打通神府苏区的佯攻态势，使敌人做出错误判断。不出志丹所料，敌果然集结到我们所预想的地区。而主力红军兵团却掉过头来向南奔袭延长城，敌主力被远远甩到清涧、佳县、吴堡一带，被我游击队死死拖住，掉进迷魂阵里。被我牵着走的敌人毫不怀疑红军主力还在北线。
红军主力兵团却于5月底，披星戴月急行军赶到延长县大连沟一带隐蔽集结。随后立即派侦察人员潜伏到延长城附近侦察地形和敌情，摸清敌防御体系。部队驻地严密封锁消息，不使守敌察觉。同时，做好攻城准备。对此，志丹特别强调要把云梯造好，高度和质量一定要达到要求。
据侦察和通过其他渠道得到的确凿消息，守敌是八十四师直属骑兵连，有140余人，170余匹战马，加上民团、警察队、矿警队280余人，合计400多人。城墙和工事坚固，全城设防严密。
延长城依山环水，东西一条街。北依北墩山，是敌人制高点，山上构筑了碉堡，有重兵防守；南面延河由西向东紧绕城边而过，河宽50多米，水深1米左右，虽可徒步涉水，但没有任何隐蔽，易守难攻；东门也如此。出了东门，北面紧靠山，南面是延河岸，中间是直通延水关、凉水岩的崎岖道路。西门外紧靠炼油厂，厂房依傍着北山寨，由矿警队40余人防守。向西北是直通甘谷驿和延安的大道。
前敌指挥部根据地形和敌人布防情况，决定了奔袭和强攻延长城的两个作战方案。如果奔袭不成就准备强攻。为了万无一失，必须先诱一部分敌人出城，减少防守力量。该任务由红二十七军二团三连协同陕北游击队七纵队执行，他们赶到北原上打土豪、分财物，诱敌出城。果然延长城民团总指挥李鸣吾带领130余团丁星夜赶到北原，与我交战。
三连和七纵队遵照总部的命令边打边退，诱敌深入到预先设定的距延长城约50公里的茹子腰岘，拖住敌人，以待主力攻克延长后，前后夹攻而歼灭之。
前总率领红军主力秘密隐蔽到交口镇、拓家川一线，与延长县的党政群组织取得联系，并进一步摸清了敌情和地形，检查了攻城的一切准备工作。
5月29日，主力红军隐蔽运动到城下，进一步划分了攻城部队作战分界线，宣布了注意事项。总攻时间定于30日拂晓4时，各级指挥员都核对了钟表。
攻城指挥所设立在红一团司令部。刘志丹命令义勇军与二十七军红一团攀登东北城楼，得手后抢攻北墩山制高点。只要控制了这一高地，我军各攻城部队就活了，就能顺利攻占各要点。他还命令步兵三团攻占西门外旧寨子，红二团作预备队，以防民团溃退。
战斗打响了，总指挥刘志丹和张达志身先士卒，亲临一线，攻城指战员倍受鼓舞，个个冲锋在前，勇猛异常。瞬间便占领了东北的城角。此时敌人还在蒙头大睡，糊里糊涂当了俘虏。我军乘胜攻克了北墩山制高点，全歼守敌。红一团分出一部分兵力居高临下，连克东门楼，开门迎接我后续部队，扩大战果。另一路紧接着攻克了敌县政府。义勇军沿西城居高临下，直扑骑兵防线，经过激烈的战斗，敌全连被歼。同时，步兵三团已攻克西门外的西山寨，歼灭了炼油厂的矿警队，攻克西门楼。至此，全城都被红军占领，时间是5月30日凌晨7时整。
12时，敌民团总指挥李鸣吾率部返回延长。前总命令红二团团长路文昌、政委李宗贵（第二任政委刘光贤同志牺牲后，由我接任）迎敌于烟雾沟，与尾追这股敌人的三连和游击队七纵队形成前后夹攻之势；并要设法将敌诱至预先设定好的战场呼家川西山贺家塬。经过3小时的战斗，该敌被我全歼。当场击毙团总李鸣吾，缴获长短枪130余支。至此，延长县城宣告解放。
这次战斗，俘虏敌县长董公绶，骑兵连长汪振河等400余人，击毙50余人；缴获长短枪300余支，轻机枪15挺；电台一部，战马170余匹（后补充了红二十六军骑兵团），银币15万元及其它军用物资。
延长县城位于延河边，东连山西省，南到关中平原的宜川、韩城等县。城西的炼油厂有二三百产业工人。该县商业、家庭手工业也较陕北其它县发达兴旺。落实好工商业政策，于民于军都是有利的。前总任命贺晋年为警备司令，维护治安，整顿交通，恢复生产，特别是炼油厂不能停工。为此，我们查捕坏人，取缔反动会道门，清理档案，查封土豪劣绅及反动官僚的财产，以巩固斗争成果。
部队在延长县休整4天，纪律严明，秋毫无犯，人民群众赞不绝口。许多老年人感叹道，我们活了几十岁，从未见过这样好的军队。你们真是老百姓的救命恩人。人民群众纷纷送亲人参加红军。一些被俘虏的敌军官兵，也自愿加入到红军部队，不愿留下的则发给路费护送出境。我们的队伍在一天天地壮大。
为了执行新的作战任务，前总将有关工作迅速移交给中共延长县县委书记白如冰和延长县工农兵民主政府主席罗成德。
6月2日，延长县委和县政府召开了祝捷大会，欢乐的人群中最引人注目的是站在会场中央的炼油厂工人。经过战争洗礼的工人，组织严密，行动迅速，纪律性强，是一支团结、坚强的力量。
志丹到会讲话：延长城的解放，使敌人妄图封锁苏区的阴谋落空了。我们打开了进入秦川的通道后，苏区的军民吃饭、穿衣就有了希望。更重要的是我军初步学会了攻城的战术、技术，给下一步攻坚中小城镇提供了经验。现在，我们红军的作战更加自由主动了，回旋余地更加辽阔了。目前，大量的敌人还压在苏区周围，逼我们与之快战，妄图消灭红军主力。我们一定要做好充分准备，彻底粉碎敌人“围剿”。他的话引起一片欢呼，在热烈的气氛中，志丹同西北主力红军兵团指战员们合影留念。
会后，枪决了延长县县长董公绶和几个罪大恶极的反革命分子。从残酷压迫中解放了的人民都由衷感谢刘志丹领导的红军队伍，更加热爱拥护我们的军队。有了人民的支持，我们无往不胜。
我军连战连捷，地方游击队和赤卫军乘胜于30日下午缴了甘谷驿民团50余人的枪；又于6月4日缴了安河渠镇民团的枪。延长县全境宣告解放，成为属于西北苏区的第二座县城。
延川县的守敌，是敌八十四师五〇一团一营和地主、豪绅、民团武装。在我军的凌厉攻势下，早成惊弓之鸟。6月1日弃城逃窜到清涧县城。延川县县城被我一举解放，成为西北苏区的第三座县城。