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張學良在9月5日對山海關駐軍于學忠部下達準備動員令後，又于9月15日在沈陽北陵召集張作相、萬福麟、湯玉麟等東北軍高級将領會商時局。盡管張學良是東三省的最高領導者，但在這次會議上仍有人反對出兵關内或者反對挺蔣。其中，反對出兵關内的是輔帥張作相和東北政務委員袁金铠，而反對挺蔣立主中立或與閻馮合作的則是長官部軍事廳長榮臻，駐京代表秦華等人。最終，由于張學良的堅持和多數将領的贊同，會議決定東北軍入關，武裝調停。
或許是閻錫山從某些渠道得知了張學良等人的決定，也或許是閻錫山自己感到敗局已定，就在9月15日這天，閻錫山密令前線的晉綏軍向大名、石家莊撤退。當然，爲了能讓晉綏軍順利的撤離戰場，也爲了不打擊馮玉祥反蔣的堅定信念，閻老西很“厚道”的沒有将晉綏軍撤軍情況通知馮玉祥所部，把馮玉祥蒙在鼓裏。帶領西北軍吃窩頭、耍大刀的馮玉祥就這樣又一次被小算盤打得噼裏啪啦的閻錫山給算計了。隻是這一次，馮玉祥把他苦心經營二十年之久的西北軍給徹底輸了進去，再無東山再起的機會。
9月18日，張學良通電入關挺蔣之後，本來就因戰局失利而士氣不高的反蔣聯軍更是人心惶惶。隴海線上，前兩天接到閻錫山密令已經開始暗中撤退的晉綏軍，在得知張學良通電入關的消息後更是加緊撤離戰場。而龐炳勳、孫殿英、劉春榮等部也紛紛自由行動，跟随晉綏軍撤到黃河以北，一時竟無人理會馮玉祥這位前線最高指揮官。與此同時，石友三通電表示擁護張學良的主張，并率部由魯西開往豫北，并将漳河鐵橋加以破壞，以保障該部自身安全。
與這些人不同的是，馮玉祥在得知張學良通電入關的消息後，仍然希望閻錫山能抽調部隊到河南與蔣軍繼續作戰。在馮玉祥看來，張學良雖然揮師入關，可己方實力尚存，隻要閻錫山下定決心堅持到底，局勢仍有轉機。但既當家又知柴米貴的閻錫山知道自己憑借山西一省之力，支撐聯軍近半年的作戰消耗已經到了山窮水盡的地步。一個老蔣就夠難對付了，現在又加了個養精蓄銳多時的小張，這個仗已經沒法再打下去了。因此，當馮玉祥的代表張允榮轉達馮的意思，希望閻錫山能努力堅持的時候，閻錫山連說：“不好辦，不好辦，仗是不能打了。”而當張允榮問及閻錫山對眼下時局的看法時，閻錫山隻說：“退到山西再說罷。”
張允榮回去将見到閻錫山的前後經過告訴馮玉祥後，馮玉祥這位西北軍的大佬自然明白閻錫山這是撂挑子了。不由得心中暗恨。由于此前馮玉祥把希望放在閻錫山身上，光想着怎麽和蔣軍作戰去了，根本就沒想到萬一事有不諧時還要退回西北老窩。而現在再想撤往陝西已經不可能了，楊虎城部在9月17日就攻克了洛陽附近的龍門，堵住了馮部西去的道路。西行無路，東面、南面又是壓上來的蔣軍，馮玉祥也隻能退往河南北部了。
正當馮玉祥考慮進退的時候，9月28日，吉鴻昌口稱要做“黃蓋”，并說今後一定會對得起馮玉祥，然後，率部投蔣。接着，梁冠英投蔣；防守許昌的焦文典也通電投蔣。
10月3日，隴海線蔣軍先頭部隊入開封，鄭州外圍的蔣軍也愈逼愈近，鄭州城内已能隐隐聽到炮聲。
10月4日，閻錫山、汪精衛秘密到鄭州與馮會晤，在共同商定聯合發表實行停戰的通電後，閻、汪于當日夜間離鄭北返，馮亦于次日率副總司令部人員撤退到黃河以北的新鄉。馮玉祥前腳剛走，蔣軍在6日就進入了鄭州。
此時平漢線上張維玺、馮治安、田金凱、任應歧等部很快在新鄭一帶陷于蔣軍的重重包圍之中。最終，該部5萬多人于10月8日放下武器。
在中原戰事已接近尾聲的時候，蔣中正爲了迅速回師江南對紅軍作戰，對善後問題的處理故示“寬大”，将收拾華北殘局的全權委托給張學良；對河南方面的軍事也擺出一了百了、以政治和平解決的姿态，并邀請與西北軍有關系的馬福祥、張之江等于10月上旬到河南洽商收拾西北軍的辦法。馮玉祥命鹿鍾麟出面與接洽，并表示自己不再過問。
鹿鍾麟向馬、張提出的條件是：一、馮下野外遊，希能予以便利；二、軍隊由鹿負責改編爲十個師，以河南西部及陝、甘兩省爲駐防區域；三、撥給編遣費三百萬元。但是，蔣中正已經打定了主意要把馮玉祥的西北軍徹底瓦解，對鹿鍾麟妄圖占有兩省、保留西北軍建制的提議根本不予以理會。當然，蔣的說法是吉鴻昌、梁冠英等已經投降，在新鄭被圍的張維玺等部亦已表示願意繳械，這些部隊的去留問題已經不在與馮、鹿的洽商範圍之内。
最終，馮玉祥曾經的部下們，吉鴻昌被蔣委爲第二十二路總指揮後，即調赴豫、鄂、皖邊境，歸豫鄂皖邊區綏靖督辦李鳴鍾節制；梁冠英爲第二十五路總指揮，調赴蘇北，歸江蘇綏靖督辦張之江節制；葛運隆爲第三十三師師長，所部由洛陽調赴湖北；停留在焦作的孫連仲也自謀出路，派田鎮南、李漢輝到濟南，通過韓複榘的關系，接受了蔣介石的第二十六路的任命。就連馮的衛隊旅季振同部也願随孫共同行動，不願退往山西。而曾經追随馮玉祥的龐炳勳、孫殿英、劉春榮等部則幹脆脫離西北軍。
10月8日，馮玉祥到石家莊與閻錫山會面。鑒于大局敗壞，已經回天乏力，而蔣中正又堅持閻、馮二人必須下野，便商定閻錫山把軍政交與徐永昌，馮将西北軍交與鹿鍾麟，他們兩人出國暫避。閻錫山回到太原後，便将軍政作了安排，并聲言去日本遊曆，實際上卻隻是去了大連。
而馮玉祥到了晉城，卻沒有出國遠遊的意思，仍然希望掌握西北軍殘部開赴西北另謀出路。這個殘部是在宋哲元、張自忠、劉汝明、童玉振、孫良誠、秦德純、趙登禹、張維藩等人的分别帶領下，陸續退入山西的，一共約有6萬多人。但這個時候，鹿鍾麟卻從自己派往南京接洽代表所發回的電報中得知，蔣中正堅持馮玉祥、鹿鍾麟必須下野。随後，鹿鍾麟去往天津，發出漾電，聲明下野。
就這樣，馮玉祥慘淡經營，名噪一時的西北軍就此分崩離析。馮記西北軍徹底成了過去時。
與馮玉祥所部徹底瓦解的結局不同，閻錫山所部的晉綏軍卻基本上都撤了下來，特别是徐永昌在隴海線上指揮的晉綏軍，幾乎算得上是全師而還。
由于提前接到閻錫山的密令，加上此前徐永昌就有所準備，因此隴海線上的晉綏軍是有組織的交替掩護撤退。在過黃河時，徐永昌所部除了受到降蔣的梁冠英部炮擊，将橋頭堆放的彈藥一度爆炸引起驚慌外，别無損失。甚至連野炮、山炮、機槍等重火力裝備都全部運回黃河北岸。
10月中旬時，徐永昌全師回晉，津浦路晉軍在遭受嚴重損失後也按建制回到山西，整個晉綏軍雖遭受了一定損失，但未傷元氣。這成爲後來閻錫山東山再起的資本。
而閻錫山在得知這一結果後長長地松了口氣，10月26日，閻錫山委徐永昌爲晉綏警備總司令，楊愛源爲副司令；趙承绶爲綏遠守備司令；王靖國爲晉東邊防區守備司令，李服膺爲副司令；楊澄源爲河東區邊防守備司令，關福安爲副司令；楊效歐爲潞澤區守備司令；張會诏爲平綏路區守備司令；李生達爲孟遼區守備司令。
隻是，閻錫山、馮玉祥兩人雖然都通電下野，表示要出洋，可兩人卻都不想離開山西。老蔣卻不會和這兩位戰敗者客氣。10月28日，中央軍飛機到太原投彈，炸死4人，傷8人，并散發傳單，限閻、馮于兩周内離境。
可即便這樣，閻錫山也沒有按時離開，而是磨蹭到11月29日，才離開五台老家，經大同到天津後乘船去了大連。而馮玉祥則幹脆到山西汾陽隐居起來。由于西北軍已經徹底被瓦解，老蔣和張學良對馮玉祥并不怎麽擔心，對其并未逼迫過甚。
曆時長達半年之久的中原大戰以反蔣聯軍的失敗而告結束。這場雙方出動兵力百萬以上，死傷30多萬的國民黨新軍閥之間的混戰，在整個民國曆史上有着極其重要的影響。
在這場大戰中，輸家不僅僅是閻錫山、馮玉祥等反蔣聯軍，一定意義上說，蔣中正也是一個失敗者。他雖然赢得了戰争的勝利，卻在政治上輸了。被蔣打倒的閻、馮、桂系等軍閥心底從來就沒有真正服過老蔣，甚至蔣軍一方中人也并非就完全信服他。這從其後的福建事變、察哈爾同盟軍、兩廣事變，甚至桂系借中.共之手使蔣第三次下野等等事件中都可略窺一二。
當然，中原大戰還有一個最大的輸家，那就是國民黨政權。除了因這場大戰而導緻的民心大失之外，在這次大戰中，作風彪悍的西北軍作爲一個集團消失了，剩餘的是蔣、閻、張以及桂系這四大勢力。而這四股勢力在這兩年中卻各有損傷，彼此之間又勾心鬥角。國民黨統治階層的這種狀态，以及國内民衆因大戰而對政府的失望，難免給窺見了虛實的國内外其他勢力以可趁之機。從此後，華夏大地便開始進入内外交迫的多事之秋。