九日，彭德怀、习仲勋根据中央军委、毛泽东电示作出部署，指挥各纵、旅由曲子地区出发，于十二日进抵环县城周围地区。第一纵队由城东北到城东南，新四旅由城西南到城西北围攻环县;第二纵队在城东南和西南协助攻城并打援;以教导旅在环县以西准备打击增援的国民党军独立骑兵第五团;陇东分区独立团在三岔和驿马关进行游击活动;陇东骑兵营对洪德方向警戒。十四日九时，彭德怀、习仲勋致电中央军委，决定十五日先歼灭环县以西胡家湾、魏家河之敌后再围城。当日，第一纵队在环县西北配合新四旅击毁向环县赶运物资的十几辆敌军汽车。十五日向龟缩于环县城内的马鸿宾第八十一师发起总攻。第一纵队三五八旅在第二纵队独四旅的配合下，经过一昼夜的激烈争夺战，于十六日上午攻占了位于城西的王家原敌主阵地，新四旅同时攻占了玉皇山。下午一时，环县城内守敌全线动摇，丢弃了山炮、野战炮、平射炮等重型武器和装备物资，从我第一、二纵结合部城东塬逃跑。第二纵队三五九旅直追至洪德城附近，截歼残敌三百余人。环县战斗歼敌第八十一师一千一百余人，使马鸿宾亏了苦心经营多年的血本。当天十三时、十五时，彭德怀、习仲勋两次致电中央军委，报告战斗进展和攻克环县情况。
在环县城内西野指挥部里，习仲勋同彭德怀一起与在将台战斗中俘虏的国民党军新编八十一师一七九团上校团长马奠邦有过一次不寻常的谈话。这是因为马奠邦是马鸿英侄女婿，优待这个俘虏对做好马鸿宾的统战工作具有特殊的意义。彭德怀、习仲勋仔细听了马奠邦关于国民党第八战区兵力部署及装备情况的介绍后，彭德怀先说：“马子寅(马鸿宾字)是个好人。我们长征到同心县时，当地老百姓就说他是个好人。”彭德怀与习仲勋交换了一下目光，接着道：我们准备马上释放此役所俘贵方军官。但有一封信要请你带给马鸿宾先生，等到解放兰州后，你们可以起义。另外，在你们中宁县军部还关押着我们十八个人，让马鸿宾先生能予放回。”习仲勋特别叮嘱其向马鸿宾问候，并安排带足路费，派专人和马匹护送马奠邦返回宁夏中卫县驻地。这一事件对马鸿宾触动很大，便于次日释放了他所关押的被俘人员。一九四九年九月，马鸿宾父子率部起义，建国后担任宁夏、甘肃省副主席、西北行政委员会副主席、中华人民共和国国防委员会委员等重要职务，为祖国的和平和建设事业做出了贡献。
彭德怀、习仲勋指挥陇东战役持续了十九天之久。是役共消灭国民党军步、骑两个整团，予国民党整编第八十一师以歼灭性打击，歼敌四千三百余人。收復了环县、曲子及庆阳、合水以西广大地区，突破了国民党军八十公里的防线，为日后向北发展打开了缺口。十七日，中央军委致电彭德怀、习仲勋：攻克环县，甚慰。
人民解放军西北野战兵团陇东战役的胜利，使胡宗南极为震惊，急调其主力部队加强固原防御，同时以正在进行“清剿”的整编第二十九军控制宜君以西地区，防止我军出击关中和陇西。根据当时形势，中央军委提出收復三边地区，六月十七日即致电彭德怀、习仲勋：“目前宜打分散与较弱之敌，不宜打集中与强大之敌。”“我军下一步行动可从打宁马十八师，收復定(边)、盐(池);或打延安、洛川间守备之敌，断敌后路，二者择一。”彭德怀、习仲勋决心趁雨季和暑期到来之前收復三边地区。二十一日致电中央军委，报告歼击三边敌人计划，电文特别提到：环县战斗证实，宁马军装备、战斗力并不比胡军弱，士气、身体强健，善走比胡军强。二十二日二十时，中央军委復电彭、习：三边敌人强大，请注意各个击破，每次集中全力歼其一两个团，以一个月以上时间完成任务。
三边分区是位于陕甘宁边区西北部的一个分区，其定边、安边、靖边、盐池坐落在古长城脚下，地处毛乌素沙漠的边沿。在胡宗南进攻延安之时，马鸿逵集团倾巢进犯，占据三边分区，并企图长期统治这一地区。三边地区党的组织和民主政权也遭到严重破坏，人民群众的斗争信心受到影响。六月二十五日，彭德怀、习仲勋率野战兵团从环县向三边地区隐蔽进发。这是一次艰苦的行军。塞上酷暑季节，头顶是炎炎烈日，脚下是发烫的沙漠，人烟稀少，干旱少水，由于极度干渴，战士出现鼻孔流血、嘴唇干裂甚至中暑休克现象。习仲勋看到一现象心急如焚，除让想方设法寻找水源外，还亲自给战士端水喝、送马骑，要求干部关爱战士，官兵一致，克服困难。
二十九日，部队越过荒漠苦水地区，进入定边南山。三十日，彭德怀、习仲勋指挥第一纵队和新四旅迅速向定边发起进攻;教导旅进至定边西南截击可能向西逃跑之敌;第二纵队消灭砖井堡、安边之敌并截断砖井堡以东之敌西撤退路。当日正午时分，野战兵团主力接近定边城郊，守敌骑兵第十旅第二团弃城逃跑;第二纵队占领砖井堡。
七月二日，第二纵队独四旅攻占安边。为了收復盐池，彭德怀、习仲勋作了详细实地勘察后得知：盐池守敌有固守待援可能;盐池粮草均缺，城郊十里内有水，十里外没水。同日指示作战部队在定边收集大车准备运草驮粮，准备油篓盛水驮送;练习沙地行军、防空、射击、自动火器与