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，敌援军不是三个师七千余人，而是国民党第七集团军副司令彭毓斌所率第二十三军、第八十三军及省防军等八个师、二个重炮团，共二万余人。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。为避免敌人做困兽之斗，又决定采取“围三阙一”的战术，攻占老爷岭和磨盘脑，而在北面虚留一个缺口，以便将敌人调动，于运动中歼灭之。

    十月五日，太岳纵队不惜一切代价攻占老爷岭，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，而主力部队则沿虒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。战至六日黄昏，敌除两千人逃回沁县外，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，于十月八日弃城突围。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——国民党第八集团军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四千人的代价，歼灭敌十三个师及一个挺进纵队共三万五千余人，缴获山炮二十四门，轻重机枪两千余挺，长短枪一万六千余支。

    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。为了逃避舆论的谴责，他欲盖弥彰，将责任全部推卸到阎锡山的身上：“这是阎锡山自己做主干的事，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了。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代，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。

    十月六日，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。

    十月十日，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。

    十月十三日，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