溫坊戰鬥之後，因興國戰事告急，紅一軍團奉命開赴江西增援，紅九軍團和紅二十四師仍留守松毛嶺一線。這時，臨時中央已經在祕密進行主力紅軍戰略轉移的準備工作。為延阻國民黨東路軍對長汀、瑞金的推進時間，一場空前激烈的松毛嶺戰鬥一觸即發。

松毛嶺是長汀東南境內的一座大山，是中央蘇區東部的最後一道屏障。從南至北縱貫80多華里，從東至西寬30華里，到處是高山峻嶺、茂密森林；中段是全線要衝，唯有兩個通道，一個叫白衣洋，另一個叫劉坑口，兩處相距五六華里，地處主峰，十分險要。紅九軍團和紅二十四師在這兩處佈下重兵，構築了堅固的工事碉堡，居高臨下，嚴陣以待。在其它幾個山峰上也作了周密佈置，大小據點組成火力交叉。陣地內挖有交通壕，互相連線溝通。陣地前挖有外壕，用鹿砦和竹籤作障礙物。主體陣地前也築有簡易工事，作為警戒陣地。

溫坊戰鬥後，蔣介石極為惱怒，把逃回去的旅長許永相槍斃了，師長李玉堂由中將降為上校。又調北路軍總司令顧祝同取代蔣鼎文，加強東路軍指揮力量，並重新調整進攻部署，以三十六師擔任主攻白衣洋主峰；第十師推進到新泉一線；第九師集結於朋口以西地區，以一部在三十六師右翼協助進攻；第八十三師集結於連城、朋口間，擔任右翼的警戒，並派一部向連城以西地區活動。

1934年9月23日上午7時，松毛嶺保衛戰打響。敵東路軍第三十六師等3個師向紅軍主要地段上的陣地發起進攻，數小時內就發射了一二二公釐榴彈炮、一三○公釐山炮及八二公釐迫擊炮彈幾千發。隨之，從南昌派來的幾十架德制飛機輪番轟炸，鏖戰整日，紅軍扼守的陣地巍然屹立。紅九軍團司令員羅炳輝、政委蔡樹藩、參謀長郭天民等親自在指揮所指揮。中午因敵人炮火猛烈，飯送不上去，紅軍戰士已兩餐沒吃飯，仍堅持戰鬥。入夜，紅軍戰士們加緊補修工事。

25日，羅炳輝、蔡樹藩兩人奉命到中央所在地瑞金開會。松毛嶺戰鬥仍在激烈進行中，形勢日益嚴峻，雙方為了爭奪一個山頭，不惜付出巨大代價進行拼搏。戰局形成對峙狀態。

28日，中革軍委命令紅九軍團撤出戰鬥，轉移到鍾屋村一帶待命。陣地由紅二十四師接替。這天，福建軍區從長汀濯田送來了經過4個月集訓的新戰士1600人，補充到紅九軍團。

29日晨，敵軍突然又向松毛嶺發起猛烈的進攻，還出動10餘架飛機助戰。紅二十四師、閩西地方武裝與敵軍決戰至下午2時許，左側唐古堖高地陷落，形勢嚴峻。紅九軍團七、八兩個團奉命重新投入戰鬥，晚上乘敵立足未穩組織反擊，奪回了唐古堖760高地。此戰殲敵百餘人，紅軍也傷亡百人，七團團長劉華香負傷。深夜，紅九軍團兩個團又撤出松毛嶺。至此，松毛嶺保衛戰已整整打了7天7夜。據《長汀縣誌》記載：“是役雙方死亡枕藉，屍遍山野，戰事之劇，空前未有。”

30日上午，紅九軍團在鍾屋村觀壽公祠堂門前大草坪上召開告別群眾大會。下午3時，利用雨霧氣候，紅九軍團兵分兩路從鍾屋村出發，經汀州、瑞金踏上了二萬五千里長徵。

為了掩護紅九軍團和在贛南的中央紅軍順利轉移，紅二十四師和長汀地方游擊隊、赤衛隊，從松毛嶺、鍾屋村、南山、河田等地沿途節節阻擊和後撤。直至11月1日，敵人才進佔汀州城。