太榆路的晋绥军防线被东北军攻破后，东北军后续第104师、第117师等部官兵从这里蜂拥而入，与城内的晋绥军展开激烈巷战。震天杀声中，交战城区无不血流漂杵、横尸如麻。入城的东北军步步蚕食，守城的晋绥军节节抵抗，战况愈发激烈。双方血战了五昼夜，伤亡尽皆过万人，东北军第117师副师长刘维勇组织敢死队并自任敢死队长，在冲锋中头部中弹而亡，接替他的第117师第550团团长萧国庆在当夜的晋绥军夜袭反击战中阵亡，而晋绥军也在巷战中先后战死一个副师长、一个代理副师长和两个团长。此战是太原城千年来遭到的第一场大规模的热兵器交战，因此对太原城的毁伤也是前所未有。著名的太原晋阳西山大佛由于东北军和晋绥军反复争夺晋源地区导致西山大佛被双方的炮弹炸得满目疮痍，太原西南悬瓮山晋祠在东北军和晋绥军的炮火中近半被夷为平地，太原城外东南六里的永祚寺也遭到一场无妄之灾，寺内著名的凌霄双塔被东北空军的轰炸机在空袭中炸倒了一座，永祚寺主持福登禅师为此而痛心疾首，晋绥军为了修建防御工事，把晋阳古城遗迹的青砖石阶撬搬一空，又把太原古清真寺的围墙给拆卸得干干净净，其它的林林总总，更是不胜枚举。距离太原城五十多公里、被誉为“北方民居建筑明珠”、由清末著名晋商乔致庸修建的乔家大院被东北空军飞机误投一颗二百公斤的航空炸弹，致使乔家大院三分之一建筑被炸成灰烬。乔致庸的长孙、乔氏产业和乔家大院的继承者乔映霞原本就因为家庭变故而精神失常，结果东北空军这颗炸弹扔下来，当场把乔映霞炸死了。乔映霞的两个儿子乔铁汉、乔铁民为此而悲痛不已，一起前往南京请求中央政府调停东北军和晋绥军的战事。可以说，建城两千五百多年、拥有大量名胜古迹和历史遗迹的太原城在此战中遭到了空前的损毁和破坏。
九月下旬时，中原大战已经逐步进入尾声。
中央军重新掌控了豫鲁皖等中原地区，从河南进入陕西的龙门地区又被杨虎城部攻占，参战的西北军残部已无可能再回西北东山再起，桂军和晋绥军先后退出了反蒋联军，冯玉祥在前所未有的绝望悲凉中，宣布下野退隐，中原地区的西北军残部纷纷向蒋介石投降。至此，冯玉祥惨淡经营了十多年的西北军集团完全解体。
这场中原大战主要是蒋介石的中央军、张学良的东北军与阎锡山的晋绥军、冯玉祥的西北军、李宗仁的桂军展开的全面军阀大战，波及全国八个省，主要交战区是河南安徽山东三省。交战双方先后投入了约130万军队参战，其中，中央军60万、东北军15万、晋绥军20万、西北军25万、桂军10万，军民伤亡累计约40万，重点战区豫鲁二省更是赤地千里、生灵涂炭，上百万民众流离失所、沦为难民，使得中国国力大为损耗。这场战争的结局很有戏剧性，中央军已经不打了，最后参战的东北军和晋绥军继续大打出手，双方打得三晋大地炮火连天。对此，蒋介石和南京政府态度含糊，甚至可以说是微妙诡异，因为身为国家最高领导人的蒋介石居然任由东北军和晋绥军打得你死我活而视若无睹，既没有制止，也不发表意见，他似乎巴不得东北军和晋绥军打得越热闹越好。蒋介石此时的态度和做法是——同意阎锡山的求和停战，但没有要求阎锡山交出军政大权，同时也不制止张学良进攻山西。不少南京方面的军政高层在私下里的猜测是:“因为东北军一开始坐山观虎斗，所以蒋主席现在也对张学良坐山观虎斗。”