本战役由中国工农红军第四方面军发动的。1933年10月16日夜，担任中路和左路任务的各部队向预定地区开进。17日拂晓，中路第1梯队一部通过陡峭小道，袭占土地堡西北要隘烟灯寨，打开缺口，各部随即前进，攻占土地堡、凤凰观，歼敌第6团。第2梯队接着投入战斗，相继攻占丘家堡、马渡关，击溃敌第5团，突破中段防线，迫敌南逃。中路各部跟踪追击，18日占领隘口后，红9、红30军即分兵向宣汉、达县进击。19日，红9军一部攻占宣汉城北要点板凳垭和尖子山，守军弃城南逃，红军进占宣汉城。

此时，红30军一部亦占领达县城北15公里之罗江口，与城郊凤凰山之敌对峙，遂以一部于20日绕道袭占达县城，并乘其惊恐未定，攻取凤凰山。与此同时，右路于18日渡巴水进至达县以西地区，协同中路红30军全歼凤凰山逃敌。左路于18日攻占镇龙关、石窝场、五龙台等要地。万源守军5个团弃城南撤，红军主力跟踪追击，直至宣汉城以东地区。

另一部乘胜东进，于21日占领万源城，直抵城口近郊。此间，在当地活动的川东游击军，主动出击，围堵逃敌，有力地配合了红四方面军作战。此役，重创刘存厚部，毙俘其4000余人，缴枪8000余支、炮3门、电台2部和大批军需物资以及兵工、被服、造币等工厂的成套设备，苏区向东扩展约150公里，与川东游击根据地连成一片。