首战告捷后的东北军继续挥师南下，直扑太原。9月7日，东北军和晋绥军激战于朔州。守卫朔州的是晋绥军第四军第十二师等部，指挥官为陈长捷。陈长捷十分善于守城，加上晋绥军也长于防御，因此在东北军兵力火力都占优势的情况下，朔州激战一天一夜仍不分胜负，双方都伤亡巨大。攻城的东北军以第104师为主力，师长刘翼飞是东北军干将。第二次直奉战争后，奉系将地盘扩到江南一带，杨宇霆为江苏督军，刘翼飞奉命率军进驻上海，但还没有就任，吴佩孚孙传芳就联合对奉系开战，杨宇霆狼狈逃离江苏，奉系在江南的地盘一夜之间尽皆沦丧，只有刘翼飞率部苦战孙传芳近一天，因此深受张作霖的器重和信任。刘翼飞勇猛忠诚，但过于急功近利、贪功好胜。眼看齐恩铭没费太大力气就拿下了大同，刘翼飞甚为眼红，随后毛遂自荐带着第104师抢攻朔州。急于建功的他没有等炮兵、骑兵、装甲兵就绪，便迫不及待地带着步兵猛烈攻城。他本以为朔州的晋绥军会一触即溃，结果遭到陈长捷以逸待劳的迎头痛击，被打得丢盔弃甲，东北军头战便阵亡了一千多人。刘翼飞一怒之下，亲自率队冲锋攻城。双方血战了三个多小时，东北军再次被击退，刘翼飞在激战中被晋绥军一发子弹打穿嘴巴，整个下巴血肉模糊，四五颗牙齿被打飞，最后被师部卫队连连长曲阳拼死从最前线抢了下来。
带着后续部队赶上来的于学忠得知刘翼飞贪功冒进、骄傲轻敌后，原本想严厉惩办他，但又看到他身先士卒且深受重伤，心头也不忍，只是斥责道：“精神可嘉，行为愚蠢！”随后，于学忠整顿部队，集结重兵和重武器，在坦克、飞机、炮群的掩护下重新发动进攻。这同时，王树常从热河省抽调的石文华第120师、董福亭第117师也先后赶来，两部也投入朔州战役，使得东北军在兵力上拥有了压倒性的优势，也使得朔州战役愈发白热化。双方激战了三昼夜，东北军攻入部分城区，却仍然没有拿下全城。9月11日，阎锡山给陈长捷发报，要求陈长捷率部立刻退守向太原。阎锡山此举，是想保存实力，保住最重要的太原，然后再跟蒋介石、张学良讨价还价。陈长捷接到命令后，怒道：“弟兄们苦战数日，士气高昂，本可寸步不让，却为何叫我弃城逃跑？简直荒谬！”实际上，这是阎锡山深思熟虑才下的命令。
此时中原大战的局势已经呈现一边倒。东北军参战且加入中央军阵营后，在反蒋联军里引起了轩然大波，西北军和晋绥军都军心不稳，高级将领都深感前途暗淡。晋绥军和桂军的团结性、忠诚度都很高，在战局不利的情况下仍然忠于派系领袖阎锡山、李宗仁，但西北军则由于其特点而陷入了分崩离析。
冯玉祥的西北军是由一个混成旅发展起来的军事集团，在这个集团里，冯玉祥有着很高的威信，但他维持这个集团的基础仅仅是一些救国救民的空洞口号以及他和将领们的私人感情，并且冯玉祥性格颇为刚愎自用，管理麾下将领采取粗暴的家长制作风，有些他一手提拔起来的将领即便当了军长、司令、省主席，冯玉祥对待他们仍然像对待子侄晚辈，没有给予应有的尊重和礼貌，不允许他们在自己面前抽烟，甚至还让他们罚跪。当下属将领向冯玉祥提意见时，冯玉祥听得不高兴时就会说“小孩子不许多嘴”这种话。有一次吉鸿昌惹怒了冯玉祥，冯玉祥打电话过去，直接说“跪下”，于是吉鸿昌就老老实实地抱着电话机跪下了，还要在电话里说“报告总司令，跪下了”。韩复榘也被冯玉祥罚过跪，冯玉祥第一次反蒋时，韩复榘曾提议“可以先打阎锡山，因此阎锡山的实力比蒋介石小很多”，冯玉祥听得不高兴，命令韩复榘到院子里在众目睽睽下跪下。韩复榘当时是河南省主席，还受这种侮辱性的惩罚，于是一怒之下在接下来的战事里投靠了蒋介石。冯玉祥这样的做法，自然使一些“翅膀硬了”的西北军将领感到拘束和憋屈，想要摆脱冯玉祥的这种家长式束缚。很多西北军将领都是因为不满冯玉祥的独断独行而被蒋介石拉了过去的。另外，冯玉祥确实是一个很朴素的领导人，即便成为手握几十万大军的“西北王”，但仍然勤俭节约、反对奢华，严禁西北军官兵吃喝嫖赌、严禁穿绫罗绸缎、严禁抽烟喝酒。冯玉祥自己以身作则，平时都穿士兵军服，晚上睡稻草地铺，每餐一菜一汤。冯玉祥这样做，固然让西北军保持了淳朴风气，得到西北军基层士兵的拥护，并让西北军拥有超过其他地方军队的艰苦耐战优点和坚忍不拔精神，但对那些西北军高级将领来说，就难以忍受了。冯玉祥自己粗茶淡饭也就算了，可他还拉着他麾下这些已经是旅长、师长、军长、司令的将领们也一起粗茶淡饭，这样就引起很多在成为人上人后希望过锦衣玉食生活的西北军将领的不满。
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