1935年11月，中央紅軍勝利到達陝北，蔣介石惶恐不安，他重新調整對陝甘蘇區的“圍剿”部署，成立“西北剿總”，自任總司令，同時任命張學良為副總司令，指揮陝甘寧青的兵力30餘萬人，妄圖一舉消滅紅軍。為了粉碎蔣介石的這一陰謀，給敵人以殲滅性打擊，毛澤東決定組織直羅鎮戰役，並研究了作戰部署。

11月19日，敵先頭部隊第109師到達黑水寺、安家川地區。毛澤東馬上決定誘敵深入，首先殲滅該敵於直羅鎮地區。

紅15軍團參謀長周士第根據軍團首長徐海東、程子華的要求，製訂了第15軍團配合紅1軍團的具體作戰方案，毛澤東和紅1方麵軍領導對作戰方案非常滿意。

11月20日下午16時，敵第109師師長牛元峰親自帶領一師人馬在6架飛機的掩護下，果然按照毛澤東的“調遣”，開進了直羅鎮，紅1方麵軍當夜將他們包圍，21日拂曉發起攻擊，紅1軍團由北向南，紅15軍團由南向北，對立足未穩的敵軍展開猛烈攻擊。

在戰鬥中，毛澤東、周恩來、彭德懷等領導都親臨前線，總指揮部就設在直羅鎮北麵吳家台北端的一個山坡上。

徐海東、周士第率紅15軍團從藥埠頭由南向北攔擊敵人，紅1軍團直插黑水寺，堵住了敵人的退路。上午11時，紅1軍團攻入直羅鎮，紅15軍團將敵人在直羅鎮南山上的陣地攻破。到中午時分，將牛元峰的第109師師直屬隊及其兩個團全部殲滅。

開始戰鬥比較順利，激戰約半天，紅軍就攻占了直羅鎮，來敵大部被殲滅，隻是東山上那座石砌寨牆的小寨子沒有攻下。因為寨牆堅固，敵人不少，遵照周恩來的指示，白天攻擊必然傷亡大，先圍起來等到晚上再發動進攻。

待到夜幕降臨，紅15軍團即由周士第率領第78師向東山那個寨子攻擊。周士第意識到這是中央紅軍到達陝北的第一仗，必須打勝，所以決心很大。他抱著不惜犧牲、攻敵必勝的信念，指揮第78師向敵人衝去。敵人果然支持不住，牛元峰棄寨突圍西逃，又被紅第75師追擊，天將拂曉時，敵師長牛元峰在直羅鎮西一座山上被紅軍擊斃。到24日，直羅鎮地區的敵人被紅軍全部殲滅。敵分路增援直羅鎮的3個師，被紅軍打援部隊殲滅10個團之後，也乖乖地撤離了。

周士第在指揮直羅鎮東山戰鬥中，頭部中彈負傷。

直羅鎮戰役的勝利，打破了蔣介石對陝甘蘇區的“圍剿”，鞏固了陝甘蘇區。毛澤東高興地說：直羅鎮大捷，“給黨中央把全國革命大本營放在西北的任務，舉行了一個奠基禮”。