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孙马大战旷日持久。何应钦给孙殿英发出退出磴口的电报，电报说：“中央屯垦青西之令甫下，而甘青宁呼吁之声群起，中央俯顺民情，明令原地整理，乃孙军擅自进兵，围攻平罗，猛袭省城，虽遭马军坚拒，未遂所图，而人民已饱受炮火荼毒矣，希即率所部，退出磴口以北地区，并遵照备案编制，切实编遣。”
孙殿英接到电报以后更加恐慌了，但又不甘心退走，仍令所部坚持作战到底。国民党中央以“一再抗命，阻绝劝告”，免去孙殿英本兼各职，下令撤销青海西区屯垦督办公署。驻防天水的陆军第一师师长胡宗南也奉命派该师第二旅赴宁夏助战。与此同时，山西的阎锡山也接到命令，由晋绥出兵，配合马部联军，对孙军进行夹击。阎锡山看孙殿英败相已露，派其部第七十师接防临河，先头部队于2月26日抵达三盛公一带，对孙军形成夹击之势。一直在平凉一带观望的胡宗南第一师的袁璞旅同时到达中卫，但该旅到达中卫后，只遣第五团向前方移动，并未参加实际战斗，只是伺机坐收渔翁之利。
孙殿英本兼职被免去，在全军中失去发号施令的权威，所部将领失去斗志，纷纷哗变投诚。3月13日，于世铭骑兵军所属第一旅旅长李纯华，通过北平军分会派宁委员马愚忱，与马鸿逵接洽投降。马鸿逵接受投降，令他率部移驻宁南玉泉营听候点编。孙军将领一一七师师长丁綍庭、第二旅旅长杨干卿等人率所部共约两万人，退出战斗。当时丁綍庭绕过前线面见马鸿逵，表示“退出战斗守中立”，商定丁綍庭的部队集中于城东金贵堡。18日傍晚，丁綍庭率师直属部队、杨干卿率旅部和第四团袁瑛部开往金贵堡，但被孙殿英发觉，令谢璞田旅进行堵截，将该师骑兵一个连和辎重营截去。丁綍庭和杨干卿的叛离行动使孙殿英失去近三万人。而副军长于世铭早与何应钦联络，也力图驱孙，想把四十一军的残部接管在自己手内。何应钦也派人面劝孙殿英离开队伍。至此，孙军已经全线动摇，成瓦解之势。
19日上午，孙殿英知道败局已无法挽救，只好先送走高级顾问南汉宸和参谋长李锡九，然后在郑家油坊召集团长以上紧急会议，下达了当晚十时向绥西总退却的命令。另外安排刘月亭指挥炮兵，向银川射击，掩护其余部队退却。
当天夜里，大风怒吼，黄沙漫天，孙军借着夜色仓皇撤退，一路上自相践踏，狼狈不堪。孙殿英本人则偷偷地离开队伍，潜赴太原，后又被阎锡山转往晋祠居住。
当时，诸马追击部署业已布置就绪，见孙军撤退，即由各纵队分路追击。
20日，马部右翼纵队由旅长卢忠良指挥，进至清水堡；中央纵队由第一师旅长袁璞指挥，进至李岗堡；左翼纵队由第三十五师旅长马玉麟指挥，进占张良堡；骑兵团与马培清团沿公路东西两旁并肩前进；马步芳派马元海率韩起功、马禄两个旅，和马步銮、马忠义两个团则沿贺兰山根北进。兰州方面也派出飞机配合追击，并在洪广营、窑伏堡一带投弹轰炸。孙军溃不成军，一夜之间，被俘者达六千多人。21日，孙军退至平罗一带，平罗守军马宝琳率队出城截击，斩获甚众，平罗解围。22日，马部各纵队追至黄渠桥以北地区，骑兵追击到石嘴山附近。
此时晋绥军已奉命进抵磴口、石嘴山一带，吕汝骥旅到石嘴山布防堵截。孙殿英部队陷入绝境。但晋绥军对孙军溃退而来的两万人并未截击，反而掩护其退至绥远。不久，马部接到晋绥军通报：“孙逆残部已在磴口、三盛公一带被我包围解决，请各追击部队暂缓前进。”孙军残部都被阎锡山所收编。
四马联军即在石嘴山留步兵一旅及骑兵两团驻防，其余部队次第回防。
3月26日，步骑各军全部复员，孙马混战遂告结束。
此次大战，四马得胜，各自都从中获益。马鸿逵保住了他的宁夏地盘，站稳了脚跟，另一方面缴获的大量武器又进一步充实了他的军力。战后马鸿逵派专员分赴南京、北平等地向国民党中央政府及各省陈述战乱造成的灾情，得到国民政府的拨款救助和一些省份的馈赠赞助，获利最为实惠。马鸿宾在此次大战中显示了他的实力，也获得不少武器弹药，与马鸿逵的关系也有所好转。
马步芳因战利品的分配，同马鸿逵闹得十分不愉快。原来孙殿英进攻宁夏期间，在石嘴子设有军械库多处，存储大量军械。孙军溃败后，阎锡山的晋军捷足先登，抢走了孙军在石嘴山所存藏的大批军械和其他物资。马步芳所部马元海率兵急追孙殿英残部，也抢到六五步枪六千支、三八马枪二百多支、高射机枪两挺、大炮六门、炮弹五千多发。马步芳只给马鸿逵送去一挺高射机枪，其余都作为自己的战利品。马鸿逵大为不满，他说：“宁夏好像赌场，他们赢了钱都拿去，我们的炕被跳塌了，就没有人来管。”因此马鸿逵借口战争结束，对马步芳和马步青的部队一律停发给养。青海军断了给养，连做饭烧火的柴碳都没有，士兵们只好四处捡拾战场上损坏的担架和拆挖毁坏的民房门窗来烧火做饭。马步芳也很气愤：“孙殿英捣坏了宁夏的门，跳塌了宁夏的炕，你们几乎立不住脚！我们帮助宁夏，打走了孙殿英，还没有坐下来休息，就想排挤有功劳之人，连一口饭也不让吃，太没有道理了。”他先令大部分部队撤回青海及河西，紧接着又命马继融同马德团撤退到中卫，计划分批调走。当地县政府对青海军的给养仍不供应，团长马德非常恼怒，把县长董天祥诱至团部软禁，一杯水也不让他喝。马继融恐怕问题闹大了不好办，劝说马德送走了董天祥。董天祥为了和缓对立状态，很勉强地为马步芳部支应了半月军食。回到西宁后，青海蒙古族、藏族王公、千百户均到西宁致贺，送马步芳骏马千匹、白银十万两，此外，还有许多珍贵礼物。马步芳利用政客谢刚杰、谭克敏、马绍武、郭学礼等分赴兰州及南京活动，得以升任陆军新编第二军军长，所辖新编第九师也改编为第一百师和两个独立骑兵旅。马步青也被任命为陆军骑兵第五师师长。
孙马宁夏之战，历时四个月有余，人民群众受到极惨痛的蹂躏，庐舍田园，半为废墟，生灵涂炭，哀鸿遍野。根据当时有关记载：“夏、朔、平、磴4县，被灾75000余户，灾民45.8万余人，炮火打伤以及冻饿而死者5384人。此外，牲畜、农具、米粮、财物、房屋等项的损失，总计已达2000余万元；无籽种、耕畜，耽误农业生产的土地，计有97万余亩。”
作战期间，马鸿逵征用城粮两千余石，并向各县派取四万余石。同时，向居民群众勒索慰劳、提灯、布匹、棉花、抬伤兵等各种杂款。此外，由于战争导致城门久闭，致使民众粮缺炭乏，饥寒交迫，而马福寿却利用警备司令部的特权，从战争一开始，就屯煤居奇，把煤价提高十多倍，唯利是图。有些富商，用厚贿勾通马鸿逵，获得准许在各县贩运粮食，转手以重价出售。因此，居民日益困苦，以致冻饿而死者，为数很多。
