李虎臣和杨虎城被困西安后，渭北各地的西北军曾试图由咸阳渡河夹击刘镇华军，遂向西北城郊的刘镇华军展开猛烈进攻，在激战八昼夜之后，终因寡不敌众而被迫撤回原防。随后李虎臣和杨虎城部设置伏兵，对在西北城角攻城的刘镇华军给予重创，算是稍稍缓解了西安之围。同时，咸阳、三原等地的西北军亦挫败刘镇华军的围攻，渭北局势稍显平稳。吴新田部则因为在关中屡次遭遇当地农民的武装反抗而自顾不暇。到1926年10月，西安城内出现严重的粮荒，城内有数万人被饿死。
与此同时，冯玉祥在包头组军成功，遂指挥西北军各部驰援西安，任命孙良诚为援陕总指挥，方振武为副总指挥，以曹浩森为参谋长，率两万余人由甘肃东进解西安之围。孙良诚部很快击退三原的刘镇华军，随后向咸阳和西安外围发起猛攻。10月中旬，西北军解咸阳之围后，即强渡渭河，向西安西郊的刘镇华军发起攻击，刘镇华遂改变部署，缩短战线，将其所部的渭北部队亦调往西安周围布防。孙良诚部与刘镇华部苦战一个半月，刘汝明此后率部驰援而至，绕到刘镇华所部侧后方，突袭东郊十里铺的刘镇华总司令部，迫使刘镇华军全线溃退。西北军借势进入西安，从而结束了艰苦的“西安保卫战”。