毛主席摊开地图，和刚从吴起镇赶来的彭德怀仔细地分析敌我双方的态势，国民党军向陕北革命根据地进攻的总兵力达3万余人，而红军只有1万多人，敌我双方的兵力对比，对红军十分不利，而且敌人还占有装备上的绝对优势。
红一方面军在陕甘根据地，立足未稳，能否打好、打胜，直接关系着中共中央和红一方面军在陕甘根据地的立足问题，关系到党和红军的前途命运问题，毛主席一边吸烟，一边踱步思考，突然感到柳暗花明，很有把握地对彭德怀说：我们完全有可能打破这次“围剿”。
毛主席这样分析，担任这次“围剿”任务的主要是东北军，他们同国民党“中央军“有所不同。他们对蒋介石“剿缴”内战政策极为不满，都不愿意参加“剿共”，积极要求抗日，打回老家东北去；红军兵力虽少，武器装备差，但斗志旺盛，再加上陕甘边区人民群众的支援，粉碎国民党的“围剿”是完全可能的。他认为，目前问题的关键是如何选择战场和部署兵力。
彭德怀完全赞成毛主席精辟的分析，他再次把目光投向毛主席手中的地图，他们不断研究这一地区的地理地貌特征，尽力寻找理想的战场。最后，毛主席把红色铅笔圈划在了国民党东北军第109师和第106师的头上，地图上的歼灭地点就是直罗镇。
直罗镇，位于陕西富县西南数十里，是个不足百户人家的小镇，三面环山，北面是流速缓慢而平静的葫芦河。在镇东头有座古老的小寨，居高临下警戒着河口。寨子里的房屋已经全部倒塌，但外围的石头寨墙大部完好。
按照毛主席的要求，前线指挥员彭德怀、徐海东等人带领红十五军团和红一军团团以上干部赶赴直罗镇周围现地考察地形，并对直罗镇附近的道路、地形、人家做详细调查，研究具体部署。彭德怀回忆说：
我随毛主席由吴起镇先行，经保安（志丹县）下寺沟、越梢山直插稻佐铺之十五军团司令部，会见了徐海东、程子华两同志，和他们商量粉碎敌人第三次“围剿”的计划。部队在吴起镇休息三天，尾随我们来路前进。我和徐海东及其他团级干部先到直罗镇侦察了地形。
在彭德怀率领下，看地形的各级指挥员几乎走遍了直罗镇周围的每一个山头。从望远镜看直罗镇，南北有连绵的土山对峙，中间是狭长的谷地，镇子就坐落其中。一条东西贯通的大道从镇子中央穿过。镇子北面，是微波粼粼的葫芦河。指挥员们不禁暗自赞叹战场的选择。不仅增强了对直罗镇的感性认识，也增加了胜利的信心，徐海东对勘察结果非常满意：
“这一带的地形，对我们太有利了！”“敌人进到直罗镇，真如同钻进了口袋。”
边走边观察，边观察边研究，从一个山头，转移到另外一个山头，结论得出了：把敌人放进直罗镇，再消灭它。
……有些新来的战士，悄悄问老战士：“敌人真的会来吗？”老战士回答：“会来的，这是毛主席算好的。”
当来到紧靠直罗镇东南侧的一个高地时，彭德怀停住了脚步，这个高地是从镇南群山延伸下来的一条山冈，三面很陡，像楔子一样突出在葫芦河和南川的交汇处。葫芦河从北边绕过，南川小河从东南傍山而下，两河在山冈东北交汇。
山冈上有两个突出的山包，相距100米左右，每个山包上都有一个用黄泥垒起来的厚实土墙，像是没有顶的碉堡。围绕两个山包的天然峭壁上，还有用石头砌的高高的围墙。当地人都叫它直罗寨子。
彭德怀看了一会，凭借身经百战的直觉，指着土寨子说：“敌人一定会利用它。”为了防止敌人利用这个寨子做固守的据点，增加进攻部队的困难，大家商讨后，决定把它预先拆掉，部署确定后，当天晚上，徐海东派出1个营，连夜去拆掉那个小寨子。
彭德怀把现地勘测结果向毛主席作了汇报，11月5日，毛主席传令红一军团军团长林彪和政委聂荣臻等人到象鼻子湾军委总部开会。
会上，毛主席明确打直罗镇战役的决心，详细讲解了自己的想法：“集中红一方面军主力，向南作战，首先在直罗镇一带歼灭由葫芦河东进的国民党东北军2个师，尔后视情况转移兵力，争取歼灭各个进犯的国民党军，以打破其‘围剿’，乘胜向洛川、中部、宜君、宜川、韩城以及关中、陇东一带发展，扩大战果。陕北根据地才能巩固。这个战役很重要。”
最后，毛主席说：“伤其十指，不如断其一指。粉碎敌人要靠歼灭战，要靠枪杆子挫败敌人的阴谋。”会后，红一方面军开始行动，至7日，红一军团由甘泉以西的定边集、下寺湾先后进至富县西北的老人仓、秋林子地区。
在抓紧外围部署的同时，毛主席对直罗镇主战场还有些不放心，决定让红十五军团第81师第 241团继续围困甘泉、第243团在羊泉塬地区配合地方游击队钳制富县、洛川等地的国民党军，阻其西援。
并亲自致电徐海东：尽快消灭富县西部张村驿之地主民团武装；派游击队两个连进驻直罗镇，并对富县黑水寺游击。调查直罗镇以北地区及以南地区之道路、地形、人家情况，葫芦河能否徒涉，电告。
随后，他和彭德怀来到红十五军团司令部稻佐铺，亲自进行战前部署，徐海东在回忆录中这样描述当时的情景。
刚回去，毛主席就来了。我向主席报告了三次反“围剿”的情况后，毛主席拿了一份三十万分之一的地图，看过后向我说：“好！还是要打下张村驿。”晚饭后，主席又对我说“海东同志，你还是要辛苦一下，今晚就出发，把张村驿打下来，再决定第二步的行动。”
主席亲切朴素，对下属讲话完全是一种商量的口吻，给了我深刻难忘的印象。我向主席表示：这是我应尽的责任。主席又亲切地说：“晚上行军，还不辛苦吗？”临走，主席给了我一部电台。我连夜回到前线，传达了毛主席的指示，早饭以后，发起攻击。
按照毛主席的指示，徐海东指挥十五军团攻占了直罗镇以东的张村驿等反动民团的据点后，进驻张村驿一带。随后，徐海东指挥红十五军团第81师第241团等部队加紧围攻驻守甘泉的国民党军第六十七军，迫使驻守在甘泉城的六十七军1个团惊恐不安，向国民党“西北剿总”一再告急。
为确保战役的胜利，毛主席、周恩来亲临前线指挥。毛主席的指挥所，设立在距直罗镇不远的一个山坡上。随后，毛主席在直罗镇以东的东村主持召开中央军委会议，做最后的战前动员与部署。毛主席分析完敌情后，给大家讲了《水浒传》中林冲打洪教头的故事。
他说：“林冲打洪教头，不是先冲过去，而是后退两步，这是为了避其锋芒，握紧拳头，发现弱点，一下击中对方的要害。直罗镇战役的部署正是这个道理。我们要利用有利地形，把敌人放进来，然后集中优势兵力，攻其不备，消灭敌人的主力。”
19日下午，毛主席将指挥部移至张村驿，他房间内的油灯开始彻夜不熄。在电报急促的嘀嗒声中，直罗镇战役进入了倒计时。红军部署已定，随时准备投入战役之中。
战斗打响之前，毛主席就特别指示各部队负责同志，“各部队在驻地立即自行筹足7天粮食，以保障战役的胜利。一定要做到万无一失，坚决打好这一仗”。毛主席对直罗镇战役部署的精细程度令所有指挥员感到有一种巨大的压力。徐海东回忆说：
红军情绪高涨，以逸待劳。一切准备就绪后……晚上，毛主席下达了命令。按照已经确定的部署，中央红军从北向南，红十五军团从南向北，以急行军，在拂晓前包围了直罗镇。毛主席、周恩来副主席亲临前线指挥。
主席的指挥所，设立在距直罗镇不远的一个山坡上，战斗打响之前，他就特别指示各部队负责同志，一定要打歼灭战。战斗发起后， 当林彪派人向主席报告情况时，主席又一再嘱咐说：“要的是歼灭战！”