李天佑率红13团到达沙溪口后，心里一盘算：明天一定会和敌军在距西芹30里左右的芹山主峰一带遭遇。于是，他深夜1点钟就带领13团从芹山脚下出发，前去迎敌。
芹山很高很陡。路不好走，天又很黑。他们艰难地走了4个多小时，还望不见主峰。偏偏天不作美，突然又下起暴雨来，战士们无处遮躲，个个淋得像落汤鸡。天亮后，李天佑和战士们才爬到芹山主峰的半山腰。这时，侦察排突然来报告：
“割草的老乡说，前面有八九个戴着钢盔、穿着草绿军装的敌兵，人不人鬼不鬼的，正沿着小路从山上过去……”
李天佑心头一惊，心想这可能是敌人的尖兵班，其主力很快就会到来。两军相遇勇者胜。他当机立断，命令：“机枪排马上占领前面的山坡阻敌前进，其他营连抢占主峰！一定要快！快！”
芹山主峰是地势最高的大山头。他一声令下，前面已传来了稀疏的枪声，1营先头连撑着战旗飞跑在最前头。大家紧随红旗，不顾一切地直向山顶冲去……当先头连的红旗一插上山顶，2营也上来了。结果，他们从山顶往下看，好险啊！敌军分两路正往山顶上爬，距山顶也只有几十米了。先头连马上开火，随即“砰砰啪啪”的枪声震撼着山谷。
红13团由攻山头立即转为了守山头。
战斗越来越激烈，迫击炮声、手榴弹声，响彻山谷，硝烟弥漫，芹山主峰上什么也看不清。过半个多小时，李天佑才看清楚主峰，可情况却让他大吃一惊，敌兵像潮水般向1营压过去，1营抵挡不住，先头连已退下来了！一旦敌人占稳了山头，就可能把红军压下山沟；红军只有占稳山头，才可以胜敌。他正着急时，毛政委从山上满头大汗地跑来，问道：“怎么办?”
“通讯员快下山，调3营上来!”李天佑说。
通讯员飞跑而去。李天佑又命令司号员：“吹冲锋号!”号角是激励红13团将士斗志的兴奋剂。军号一响，李天佑朝主峰望去，只见1营营长赵壁一跃而起，挥枪大喊：“人在阵地在，冲呀!”被敌兵火力压住的战士们猛地纵身跃起，呐喊着冲上去。随即，退下来的先头连也稳住了阵脚，跟着营主力冲去。
按照以往的经验，这两个拳头一回击，这一两个连的敌兵肯定会头破血流。但此时他们的对手是19路军的精锐团——号称“公牛团”的61师366团，战斗就没以往这么容易了。冲锋号响彻云霄，双方在混乱中厮杀着，战斗又激烈起来。突然，赵壁冲出几步，腹部就中弹，肠子流了出来，倒在地上了。他眉头一皱，咬紧牙关，用手抓住血淋淋的肠子一把一把塞进肚子里，用最后一点力气，嘶哑地喊着说：“不准退，向前进攻!”然后倒在地上再也没吱声了。
李天佑亲眼目睹了这壮烈的一幕，心头怒火猛然而起，他挥着拳头，恶狠狠地说：“副营长代替赵营长，为赵营长报仇！”随即，拔出大刀，走向山顶，边走边喊：“共产党员，共青团员！跟我上！”
团长带头冲向主峰，红13团就像一只发怒的狂狮猛地扑向敌兵，全团展开了肉搏战，顿时，主峰上刺刀闪闪，鲜血淋淋，枪托的碰击声代替了枪炮声。
尽管61师366团有着公牛般的猛劲，但遇到有我无敌、敢打敢拼的红13团，终于招架不住了，开始节节败退。李天佑乘机跳上战马，率领13团紧追过去，这一追，一直追了180里，然后又把敌人压在了一条山沟里，366团残兵见红军打红了眼，慌忙扔枪的扔枪，举手的举手。敌团长见势不妙，急忙带领几个卫士骑着马，向高砂逃去。李天佑挥动马鞭，踩着满山遍野的钢盔、枪支、弹药和尸体，跟着猛追，一直追到高砂，将敌团长追上一枪击毙了，才返回身。
就这样，国民党19路军最精锐的、最有战斗力的、从来没打过败仗的“威虎团”——61师366团，在芹山一战被红13团打了个全军覆没，从团长到士兵无一幸免。
战后，红3军团召开表彰会，为嘉奖红13团以一个团的兵力歼敌一个主力团的战绩，彭德怀亲自授予红13团“英雄模范团”荣誉锦旗，团长李天佑三等红星奖章。获得红星奖章是一件极不容易的事，据说犯了死罪也可以据此得以赦免。在授锦旗仪式后，从来不轻易表扬人的军团长彭德怀，兴高采烈地拉着19岁的李天佑坐在自己的身旁，还拍着他的肩膀，说：
“小鬼，不错啊！年纪轻轻的，指挥打仗可真有本事，会攻山头，也会守山头，这本事可是红军一绝呀！”
（3）最年轻的师长
芹山之战4个月后，李天佑刚过20岁，被任命为红3军团第5师师长。
李天佑看上去还“稚气未脱”，却成为了红军中最年轻的师长。此时，在彭德怀统帅的红3军团中，下辖3个师，4师师长张宗逊26岁，6师师长曹德钦25岁。在红军包括红1军团、红2军团、红3军团、红5军团、红8军团以及红2、6军团所有的干部中，团级干部最年轻的是1军团2师4团政委杨成武，21岁；师级干部中最年轻的是3军团5师师长李天佑和政委钟赤兵（均为20岁）、红2军团5师师长贺炳炎（21岁）。无论是横比还是竖比，5师师长李天佑年龄最小。彭德怀说：“我们红军几十万人，只有两个娃娃师长，一个是贺龙红2军团的5师师长，叫贺炳炎，才21岁；另一个就是我们3军团的5师师长李天佑，他比姓贺的娃娃还小1岁。这两个娃娃当师长，不是靠别的，就靠会指挥，打仗有本事！”
为了保护李天佑的安全，彭德怀还派给他一个连的警卫！
李天佑20岁就做了师长，结果他手下的5师几个团级干部个个都比他年纪大，其中最年轻的有：10团政委杨勇22岁，11团政委张爱萍24岁，12团政委苏振华22岁，师政治处主任王平27岁，但他们都比师长年纪大。李天佑成了老大哥们的领头人。
接着又引出一个趣话。
14团团长黄冕昌与李天佑都是参加百色起义的老战士，当李天佑还是军部特务连长，登上赣州城头时，黄冕昌已是红7军55团团长，并担任攻城前线指挥。1933年1月，两人成为“平级”，都是团长。现在李天佑却变成了黄冕昌的直接顶头上司了。黄冕昌从李天佑的上级变成下级，有百色起义来的老战友问黄团长：
“你一直是小李的老上级，现在做了他的部下，你怎么想的呀？”
对此，黄冕昌说：
“没办法，他有本事，打仗我就是不如他！没办法，没办法呀！”
（4）3000人打得只剩下1000人
李天佑守山头最出名的一战，是与桂军号称“钢军”的第7军的湘江之战。
1934年10月16日傍晚，中央红军因为“反围剿”失败，仓促沿粤、桂、湘边境向西转移。李天佑率红5师担任红3军团前卫。11月底一天，他们正在夜行军向湘江岸边前进，突然接到军团部命令：[奇·书·网-整.理'提.供]5师的14、15两团立即行动，赶赴灌阳、新圩，阻击桂军，保证整个野战军的左翼安全，掩护中央机关纵队抢渡湘江。电文的语句像钢铁铸成的：
“守住山头，不惜一切代价，全力坚持3天至4天！”
李天佑立即率14团、15团连夜赶到指定地，并在小山上匆匆地挖了简易工事。
此次李天佑扼守的山头，不仅山小，而且对手比以往更强悍。他们的对手是桂军，全是广西人，为李宗仁、白崇禧的王牌第7军的两个师和一个团，由夏威率领。李天佑的老上级李明瑞在北伐时曾任该军师长和副军长，攻打汀泗桥、贺胜桥时，该部跟叶挺独立团并肩作战，打出了声威，号称“钢军”。现在李天佑以两个团来对付“钢军”两个师加一团共7个团，兵力十分悬殊。而他要守住山头，并且要坚持3至4天，这无疑是极大的考验。
第一天，双方激战一日，不分胜负。
第二日，从拂晓起，激战就炽热化。一开战，红5师情况就越来越糟，不仅前沿几个小山头丢失了，主官连连受伤，14团团政委谢振华、15团团长白志文、政委罗元发先后负伤；下一级指挥员也伤亡严重，15团3个营长两个牺牲，伤亡500多人，全团几乎陷入无人指挥的窘境。
李天佑急得汗水浸湿了衣服，命令师参谋长胡浚前往15团指挥战斗。结果，胡浚一去，也在反击战中壮烈牺牲。
15团陷入危急之中！
此时，2000多敌兵又从右侧向红14团冲过来了。结果，翻过小山坡时，遭到红14团密集火力的封锁才暂停下来。敌兵非常狡猾，很快发现红14团左侧兵力薄弱，悄悄另派一股兵力从左侧往上冲。黄冕昌团长立即组织反冲锋，结果，他在激战中牺牲，副团长接着指挥反击，也不幸中弹牺牲，团参谋长继续进行指挥，最后也牺牲了，但红14团最终还是咬着牙把敌兵打退了。
一向能征惯战的“钢军”以7个团加6架飞机反复冲击，却拿不下灌阳、新圩一线阵地。白崇禧非常奇怪，是红军什么部队在阻击，他们长途跋涉哪来那么强战斗力？回报说是彭德怀3军团的红5师，从师长李天佑至战士多是参加过百色起义的广西人。白崇禧大拍大腿：“真是冤家路窄！这一仗是棋逢对手了！”
激战到第三日下午4点多钟，山头仍然控制在红5师手中。此时李天佑率部已激战了3天2夜，自师参谋长胡浚以下，团、营、连干部几乎非伤即亡，全师3000多人损失2000多人，偌大的一个师只剩下1000人。