关于牛元峰一0九师，还得从东北军在陕北参加剿共战争说起。蒋中正曾经暗示张学良，只要他消灭了陕北的红军，立即让他取代杨虎城成为陕甘实际的领袖，陕甘两省的地盘也交给他。
在张学良从鄂豫皖苏区调动部队开往陕甘的时候，蒋中正当面对张学良说，让杨虎城带领西北军剿共很叫人不放心，杨虎城处处和中央对抗，如果红军方面做一些工作，杨虎城就很有可能暗中和红军勾结，作出叛逆举动。中央早就想把他换掉。
蒋中正还当面允诺，只要张学良能够打几个胜仗，就可以把陕西和甘肃两省的地盘交给他。东北军对陕北红军已经进行了四次较大规模的围剿，前三次都被刘志丹的陕北红军和徐海东的红二十五军给打破了，东北军损失了步兵三个团，骑兵三个团，相当于损失了整整一个步兵师和一个骑兵师，损失已经够惨重了。
蒋中正曾经一次次发报痛斥张学良，斥责张学良连几个陕北共军都打不过，兵力雄厚装备精良的东北军被叫花子一般的红军打得落花流水，实在丢了蒋委员长和国军的面子。由于东北军围剿不力，导致陕北红军和中央红军会师。蒋委员长在电报中指示张学良，要张学良效仿第五次围剿的碉堡战术，步步推进，稳扎稳打。
但是年轻气盛的张学良对蒋委员长的最高指示不以为然，张学良对部下说：“碉堡战术？好是好，可是陕北到处都是黄土高原，树木石料缺乏，水泥更是没有，老百姓由于没有这些，都建不了房子，改住土制的窑洞。我拿什么修建碉堡？你蒋委员长在中央苏区用了几十万大军，倾全国之力，花费一年时间才把红军赶出了江西。我们哪有这样的军力和经济实力？你蒋委员长说得轻巧，我张学良可对那个碉堡战术不感兴趣。”
于是张学良严令部下说道：“我马上要去南京参加五全大会，到时候会跟蒋委员长求援。这段时间大家都不要擅自行动，尤其不要随便出击，等我回来再说。”
命令下达以后，张学良认为王以哲已经把部队收缩回洛川，问题不大。张学良亲自飞到甘肃庆阳，交代此处的五十七军军长董英斌，让其千万不要随便出动。
随后张学良就飞往南京，参加国民党第五次全国代表大会去了，也借此机会找蒋大哥忽悠忽悠。
但是，董英斌五十七军所辖四个师在甘肃庆阳，由于甘肃这个地区也是非常贫穷，东北军粮食补给奇缺，士兵军官吃不饱肚子，怨声载道。
部下四个师长向董英斌抱怨，如果再保持这样的情况，用不着红军来打，部队就要跨了。不如乘着中央红军立足未稳的时候，出动主力部队沿着葫芦河东进，向直罗镇，富县方向进攻。同时让王以哲部沿着葫芦河西进，两部靠拢。
由此就可以打通西路董英斌部和南路王以哲部的联系。
这样，在甘肃的东北军就可以得到陕西洛川的补给，不但可以解决目前的困境，也可以进一步北进，解除甘泉之围。
至于红军，东北军几个师长认为中央红军刚经过长征，没有三四个月的修整，根本恢复不了元气，也就没有能力打大仗。红十五军团刚刚打过劳山和榆林桥两场激战，也有一定损失，也需要一段时间休整。
董英斌属下几个师长非常骄傲，并没有把红军放在眼里，也没有把董英斌这个军长放在眼里。他们私下里说：董军长胆小如鼠，打仗哪有这样行军的？这样走到富县少说也要两三个月，自己就饿死了。于是三个师随即放弃之前的谨慎态度，各部分头突进，取消了之前的互相间的保护。三个师长中最骄傲的牛元峰的一0九师进军更是迅速，将其他两个师远远地甩在后面。
牛元峰本人是山东沂水县人，保定军校出身，后在日本军校进修过，回国后在东北讲武堂任教，是东北军年轻派的领袖人物之一。牛元峰勇猛善战，素有威名，但是牛元峰以往主要担任东北军的辎重司令，实战经验并不足，纸上谈兵倒是很厉害的。
此时牛元峰并没有把红军当回事，他的一0九师有六千多人，兵精粮足。中央红军总共也不过七千多人，装备低劣，一把步枪才几发子弹。在牛元峰看来，他一个一0九师就足以对付毛彭周红军了。
为什么牛元峰他们几个师长这么骄傲呢？因为他们五十七军是东北军中的精锐。
五十七军每师有三个团，师部有通信、卫兵、骑兵、炮兵、辎重等五个连。每团有三个营，团部有迫击炮连，平射炮连，通信排。每营有三个步枪连、一个机枪连。每连有三个排，每排有轻机枪三挺。重武器上有大量山炮，迫击炮，平射炮，重机枪。
轻武器则有大量轻机枪，步枪也是统一制式的仿毛瑟步枪，弹药非常充足。单纯从装备上来说，这几个师装备丝毫不比中央军嫡系部队差，在全中国也是数一数二的。
言归正传。在陕西省富县通往甘肃合水大道上有一个较大的集镇，它就是直罗镇。集镇南北群山迭起，中间是一条狭长山谷，不便于大部队展开。根据这些情况，红一方面军首长命令部队集结于集镇东北的石咀、凤凰头、上下莫河地区待机；红十五军团派出一个营连夜摧毁集镇东南端的土围子，以防止在敌人进攻时被敌人利用。
当东北军牛元峰的一0九师进至黑水寺和安家川地区时，军部率另两个师进至张家湾东西地区，做好歼灭元峰的一0九师准备。
十一月二十日上午十点，彭德怀向红军各部下达命令：
“敌一0九师已经向我预定战场而来，预计在二十一日凌晨可到达我预定战场，望各部迅速赶往预定阵地布防，以求全歼牛元峰一0九师，并做好乘胜扩大战果的准备。”
彭德怀还作出具体战斗部署：
红一军团于二十三日拂晓前在袁家山附近展开攻势，首先以两个师自北向南实施主要突击。第一步攻占直罗镇北山，尔后在红十五军团协同下夺取直罗镇。
另以一个团在直罗镇东北，协同葫芦河以南红十五军团一部，阻击敌军沿葫芦河东窜；
以另一个团进至老人山方向，切断第一0九师与安家川后续梯队的联系，阻止敌人向西逃窜，并做好打击敌人可能的增援部队，以侦察分队向黑水寺佯动。
然后，视战役发展，准备歼灭第五十七军后续梯队；
十一月二十日早上，国军先头部队东北军第五十七军先头部队牛元峰第一0九师出动了，在四架飞机的掩护下，分三路沿葫芦河及南北山地向直罗镇攻击前进。
红军十五军团派出一个连的警戒分队推进到阎家村以北，与国军一0九师先头部队发生战斗，佯装抵敌不住，且战且退。
在红十五军团警戒分队的引诱下，第一0九师于下午四点左右占领直罗镇，东北军第五十七军军部率一0六师和第一一一师进占黑水寺地区。
由于东北军一路未遇到较大规模的抵抗，警惕性逐渐松懈，宿营后，宰羊杀鸡，大吃大喝，疏于戒备。
这天晚上，官兵们大多喝得醉醺醺的，把身体放倒放心地睡大觉，他们做梦也没有想到，一0九师的营房已经被红军团团包围，死亡很快就会降临。
时间已经进入一九三五年十一月二十一日的凌晨，红军按照预定的作战方案，全线发起突然攻击。
红一军团自北、西北、东北方向，红十五军团自南、西南、东南方向，同时发起猛烈攻击。
在红军突然猛烈的打击下，第一0九师大部不是被打死就是做了俘虏。师长牛元峰率残部五百余人占据镇东南一土寨内固守待援。
到下午两点左右，东西两路援军已经赶到直罗镇附近。牛元峰似乎看到了希望。
毛泽东和彭德怀等方面军领导果断作出决定，红十五军团以一部兵力包围牛元峰残部，待敌逃跑时将其歼灭于运动之中，并阻击由富县来援的一一七师；主力向西迎击由黑水寺来援的第一0六和第一一一师。
第一0六师和第一一一师看到势头不对，害怕被歼灭，于是掉头沿葫芦河西岸撤退。红军乘势追击，在张家湾歼灭一个团，两个师大部退守到太白镇。
由富县来援的第一一七师听说一0九师惨败，吓得屁滚尿流，急忙掉头逃回富县。
牛元峰率残部坚守土寨，在各路援军纷纷逃窜的情况下，牛元峰孤注一掷，于二十三日午夜冒险突围，被红十五军团所部于二十四日上午全歼，师长牛元峰眼看就要成为红军的俘虏，想起自己曾经作为东北讲武堂的教官而在军界桃李满天下的身份，想起自己曾经教育军人应该具有临危取义为国捐躯的节操，如果现在做了红军的俘虏，将使自己招来军界的耻笑。
与其苟且偷生，未若一了百了。牛元峰想到这里，拔出手枪对着太阳穴扣动了扳机。写到此处，老夫对牛元峰的兵败自杀颇感惋惜，有诗叹曰：
“山东沂水牛元峰，东北军界一名人。
保定军校高材生，东瀛深造有文本。
讲武堂里任教官，沙场征战威名存。
可惜陕北兵败日，慷慨自戕留忠魂。”
