自9月10日战斗打响，短短的十余天时间，太行、太岳、冀南纵队已经攻占了屯留、潞城、长子、壶关等五座县城，扫清了长治外围据点，歼敌7000余人，切断了长治与太原、平遥的联系，将阎军史泽波部万余人团团包围于长治一隅。
9月27日，刘伯承、邓小平发布《晋冀鲁豫军区作战字第六号命令》，决定对长治发起总攻。
长治为上党地区的首府，原是日军的一个重点设防城市，城墙高约三丈，城外壕沟纵横，碉堡林立，工事坚固，加之连日大雨，道路泥泞，部队运动困难。开战以来连续五易指挥位置，足迹遍及长治四周的刘伯承、邓小平据情决定，由东、南、西三面攻城，虚留北关，诱敌突围，于野战中歼灭之。
一切按照预想顺利展开，长治守敌已成瓮中之鳖，突然，情况发生了变化。阎锡山派出的援兵气势汹汹地压了过来。
敌变我变，刘邓当即变更部署，改攻城为围城打援，于9月28日颁发《晋冀鲁豫军区作战字第七号命令》，决以佯攻长治、围城打援之方针，在援敌进至常隆、上村镇一带时，坚决于野战中将其歼灭，并同时消灭可能自长治出城接应或突围之敌军。
雨夜，太行纵队全部和太岳纵队主力，悄悄撤离长治，兼程北上伏击援敌。留下的冀南纵队、太岳纵队一部及地方兵团伪装主力，为吸引援敌继续南下，把围攻长治的战斗打得热火朝天。
然而，已经将指挥位置前移到黄辗镇的刘伯承发现原先的情报不确，敌援军不是3个师7000余人，而是国民党第七集团军副司令彭毓斌率第二十三军、第八十三军及省防军等8个师、2个重炮团，共20000余人。刘邓再一次调整部署，急调围长治的冀南纵队立即北上，投入打援。为避免敌人作困兽之斗，又决定采取围三阙一的战术，攻占老爷山和磨盘脑，而在北面虚留一个缺口，以便将敌人调动，于运动中歼灭之。
10月5日，太岳纵队不惜一切代价攻占老爷山，太行纵队也如期控制了磨盘脑。敌人果然军心动摇，于夜间向北突围。先敌抢占厩亭以北土落村的迂回部队正好堵住敌人，而主力部队则沿屯公路及其两侧进行跟踪与平行追击，猛烈穿插，使敌溃不成军，四处逃窜，纷纷缴械投降。战至6日黄昏，敌除2000人逃回沁县外，其余全部被歼，一路扬言“上党必争，长治必保”的敌副总司令彭毓斌被击毙，数十名高级军官束手就擒。
援军被歼，长治守敌惊慌失措，彻底无望，于10月8日弃城突围。一出城才知道，他们已经陷入了人民战争的大海汪洋。后面，是围城部队的跟踪追击，前面是刚刚歼灭了援军的胜利之师的勇猛堵截，而两翼则是地方兵团和民兵武装的奋力兜击。
“拼命抓住敌人！”刘邓一声令下，四面八方的部队潮水一般将敌包围于沁河以东的将军岭及桃川地区歼灭，蒋介石为“摘桃子”伸过来的第一只爪子——国民党第八集团副总司令兼第十九军军长史泽波被生擒。
至此，上党战役胜利结束。晋冀鲁豫军区部队以伤亡4000人的代价，歼灭敌13个师及1个挺进纵队共3．5万余人，缴获山炮24门，轻重机枪2000余挺，长短枪1．6万余支。
上党的砝码重重地压在重庆的谈判桌上，加强了中共在重庆谈判中的地位。蒋介石闻讯，如同挨了一记闷棍，心中十分恼火。为了对付舆论的谴责，他欲盖弥彰，将责任全部推卸到阎锡山的身上：“这是阎锡山自己作主干的事，中央并不知道。”
毛泽东得知消息，幽了蒋介石一默：“太行山、太岳山、中条山中间，有一个脚盆，就是上党区。在那个脚盆里，有鱼有肉，阎锡山派了十三个师去抢。我们的方针也是老早定了的，这就是针锋相对，寸土必争。这一回，我们‘对’了，‘争’了，而且‘对’得很好，‘争’得很好。就是说，把他们的十三个师全部消灭。他们进攻的军队三万八千人，我们出动三万一千人。他们的三万八千被消灭了三万五千，逃掉两千，散掉一千。这样的仗，还要打下去。”
战场上的失败迫使蒋介石不得不稍微收敛了一下嚣张气焰，重新回到谈判桌上。他意识到，如果继续施加高压，更无法使中共屈服，而这次举世瞩目的谈判一旦破裂，他将无法向国内外交待，于是不得已决定暂时放弃“政治与军事应整个解决”的既定方针，改为首先解决政治问题。
10月6日，也就是彭毓斌两万多援军在上党全军覆没的那一天，蒋介石派人到红岩村与周恩来联络，希望尽快在协定上签字。
10月10日，具有历史意义的《国共双方代表会谈纪要》，亦即历史文献中称之为“双十协定”的签字仪式，在重庆曾家岩的桂园正式举行。
次日，蒋介石与毛泽东在山洞林园握别。
10月13日，蒋介石又向国民党各战区发出密令：
查抗战胜利，日寇投降，亟应从速建设以完成大业，乃奸匪竟乘机侵入城市，破坏交通，企图破坏统一以遂其割据之阴谋，若不速予剿除，不仅八年抗战前功尽弃，且必贻害无穷，使中华民族复兴无望，我辈将士何以对危难之同胞，更何以对阵亡之将士？贵长官所部自抗战以还，迭著勋功，党国依为长城，中正尤寄厚望。此次剿共为人民幸福之所系，务本以往抗战之精神，遵照中正所订剿共手本，督励所属，努力进剿，迅速完成任务，其功于国家者，必得膺赏，其迟滞贻误者当必执法以罪，希转饬所属剿共部队官兵一体悉遵为要。
短短的两百字，字字冒着火星。
于是，两幅色彩完全不同、极不和谐的画面，同时出现在世人眼前——台上，锣鼓喧天，和谈之剧，刚刚落下帷幕；台下，枪炮齐鸣，两军对垒，打得难解难分。
五、上党役的意义和作战基本经验
上党战役是重庆谈判期间，晋冀鲁豫军区反击国民党军进攻取得的一次重大胜利。这次战役打击了蒋介石的内战气焰，加强了中国共产党在重庆谈判中的地位。对争取和平、民主的斗争起了要作用。
上党战役是重庆谈判期间，晋冀鲁豫军区反击国民党军进攻取得的一次重大胜利。这次战役打击了蒋介石的内战气焰，加强了中国共产党在重庆谈判中的地位。对争取和平、民主的斗争起了要作用。1945年10月17日，即上党战役胜利结束后第5天，毛泽东在延安干部会上作了《关于重庆谈判》的报告，对上党战役的胜利给予了高度评价，他说：“国民党一方面同我们谈判，另一方面又在积极进攻解放区。我们的方针也是老早定了的，就是针锋相对，寸土必争。这一回，我们‘对’了，‘争’了，而且‘对’得很好，‘争’得很好。”“事情就是这样，他来进攻，我们把他消灭了，他就舒服了。消灭一点，舒服一点；消灭得多，舒服得多；彻底消灭，彻底舒服。……人家打来了，我们就打，打是为了争取和平。不给敢于进攻解放区的反动派很大的打击，和平是不会来的”。
在上党战役中，重创了阎锡山的实力，极大地鼓舞了解放区军民战胜国民党军的信心。阎锡山数年来在晋西培植起来的所谓“精锐”部队，在这次战役中，被歼3万余人，约“占其总兵力三十五个师九万人的三分之一”。有人讥刺阎锡山：“上党一战，实力损失一半。”上党战役后，阎军不敢再犯晋东南，晋冀鲁豫解放区的后方得到进一步巩固，使军区主力能集中兵力对付沿平汉路北犯的国民党军。
上党战役的胜利，大量补充了晋冀鲁豫军区部队的装备与兵员，提高了部队的作战能力。上党战役后，军区进一步补充与整编了野战兵团，编成了第1、第2、第3、第4纵队，并以上党战役缴获之火炮组建了炮兵部队，使全区部队向正规兵团的方向迈进一大步，从而加速了由游击战向运动战的战略转变。
上党战役，是解放战争时期过渡阶段打的第一个歼灭战。在战役中，人民军队以劣势装备对优势装备，经30余天苦战，将阎锡山进攻上党各部歼灭。基本经验是：首先，在全区军民中进行了深入的动员，使广大军民深刻领会中共中央和平、民主、团结的方针和与国民党进行和平谈判所持的基本立场，牢固树立敢于斗争、敢于胜利的革命精神，坚持以军事斗争配合谈判斗争，以自卫战争打败国民党军队的进攻。这样，就激发了广大军民的积极性，形成了真正的人民战争。其次，坚决贯彻毛泽东打运动战、打歼灭战的思想，通过巧妙的机动兵力，充分发挥地方部队和民兵的作用，确保主要作战方向的兵力优势，并利用夺城打援、围城打援、迫敌突围等手段，争取歼敌于运动中。第三，边打边建，边打边练，边打边补，以战教战，使人民军队越打越强。第四，“党政军民一致协同，县书、专员、县长均亲临前线，组织后方工作”，使参战部队的给养得到保障，伤员救护及时，军需运输迅速，这是取得上党战役胜利的重要原因。
国民党在其“国防部”编纂的《戡乱战史》中，在总结“上党作战”中记述：“上党为晋冀边之锁钥”，“战略之价值甚大”，阎锡山部没能把上党抢到手，“即予匪回窜平汉之机，使华北、华中陷于分离，国军之北上受降，大受阻挠；而黄河以北晋、冀、豫地区之匪，自此连成一片，获得兵力运用之自由，使我豫东、鲁西时受威胁，晋南、豫北无法开展，影响尔后作战，实至深钜。”
在检讨上党作战失败的原因时说：“是役我军之失败，实因匪众绝对优势，兵力彻底集中，组织严密，情报灵活，地形熟悉，惯于设伏，故能遂行其各个击破之企图。反之，我军情报不灵，协同欠佳，尤以史军兵力部署过于分散，而对控制部队又未能灵活运用，以致外围据点遭受匪军攻击，即无法出击或增援，处处形成孤军应战，被敌各个击破。赴援部队之行军，对搜索警戒过于疏忽，于山地作战之要领，亦未能把握，故中途遭匪袭击，部队犹多在集结状态中，仓促应战，无法发挥战力，以致陷于挫败。”
