婁山關戰鬥後，紅一、紅三軍團又乘勝向遵義方向追擊。26日，紅三軍團在董公寺、高坪、大橋等地擊潰黔軍第六、第十五、第九團的攔阻。接著，於26日在遵義城西北的石子鋪等地，又將敵第一、第五、第八團擊潰，進到遵義城下。黔軍殘部退入遵義城，固守待援。是日黃昏，紅一、紅三軍團不顧疲勞，奮力發起攻城戰鬥，經一個多小時激戰，占領遵義新城，王家烈慌忙率黔軍第一、第六團棄城向南潰逃。29日淩晨，紅三軍團經三四小時激戰，重占遵義城，並控製了城南的紅花崗、老鴉山一線高地。敵人為奪回遵義，瘋狂反撲，命各路急馳遵義增援。敵吳奇偉縱隊第九十三師已進入忠莊鋪，一部前進到遵義城南2。5公裏的洛江橋；第五十九師已進至新站，正向忠在鋪開進，企圖向遵義進行反攻。其部署是：以第五十九師第五五三、第五五八團和第九十三師一個團主攻，經桃溪寺向遵義城南之紅花崗、老鴉山攻擊；黔軍兩個團由忠莊鋪向北攻擊，配合第五十九師行動；第九十三師主力和第五十九師第五五五團在忠在鋪地區為預備隊。28日14時許，吳奇偉以一個團攻占紅軍紅花崗陣地受挫後，將主力轉向老鴉山，經過激戰，攻占該山製高點。但黔軍因屢遭紅軍打擊，畏縮不前。
中央紅軍乘吳奇偉部孤軍冒進，黔軍畏縮不前，尾追川軍又被阻於桐梓以北地區的有利時機，即遵照中革軍委的命令，以紅一軍團主力從水師壩突破黔軍陣地直插忠莊鋪吳奇偉之指揮部，求殲該敵。這一出敵意外的打擊，使王家烈狼狽不堪地逃往打鼓新場；吳奇偉倉促率殘部約1個團急急如漏網之魚向懶板凳方向逃竄。紅一軍團當即派第二師奮力猛追，並以一部取捷徑先敵占領懶板凳，主力插至烏江岸邊，斷敵之退路。吳奇偉唯恐被活捉，率殘部先逃過烏江。他為保自己性命，不顧三軍死活，立即砍斷浮橋，致使尚未過江的1000餘人和大批輜重物資均被紅軍俘獲。滯留在老鴉山地區的第五十九師聞風喪膽，轉入防禦。黃昏，紅軍幹部團投入戰鬥，配合紅三軍團奪回老鴉山製高點，殲敵大部，殘敵向八裏水、鴨溪方向倉皇逃遁。在激烈的戰鬥中，紅三軍團參謀長鄧萍於2月26日被冷槍擊中，光榮犧牲。
遵義戰役生俘國民政府中央軍團長1名、黔軍旅長1名、團長2名。紅軍傷亡近千人，其中陣亡軍團參謀長1人，團參謀長1人，副團長1人，營長7人，營教導員6人。（據當時《紅星》報就遵義戰役發表的社論：“在24日到3月1日六天的戰鬥中，……，連續擊潰王家烈全部和吳奇偉兩個師，共二十餘團，連奪桐梓、遵義兩城……，繳獲步槍兩千餘支，輕重機槍及自動步槍三十挺，子彈三十萬發，……，敵死傷千餘，俘虜官兵兩千餘名，……，這是我中央紅軍從反攻以來空前的大勝利，……”）
1935年3月2日，紅軍總司令部發給紅五、紅九、紅二、紅六軍團及四方麵軍、中央軍區的《關於俘敵及槍彈等統計》公布：“各部首長：我野戰軍於二月二十四日克複桐梓，擊潰守城黔敵兩連。二十五日南下攻占婁山關，將黔敵杜旅兩個團全部擊潰，小部殲滅。二十七日乘勝直下遵義城，擊潰王家烈部守城約六個團，消滅一部。複於二十八日擊潰遵城之薛敵五十九、九十三兩師，追至烏江及鴨溪俘獲九十三師大部、五十九師一部，其餘潰散附近山中，殘部分退仁懷及烏江南岸。此役計共俘人在二千以上，槍一千以上，子彈約十萬發，輕重機槍數十挺，俘敵團長一名，傷旅長一名、團長一名。總司令部，二日。”
遵義戰役是紅軍長征以來殲滅國民政府軍最多的一仗。此次巨大勝利打擊了國民政府軍的囂張氣焰，極大地鼓舞了紅軍的鬥誌。為紅軍徹底跳出國民政府數十萬大軍的圍、追、堵、截贏得了時間，創造了有利條件，充分體現了遵義會議改變軍事領導人後紅軍在正確軍事路線指揮下發揮的巨大威力。是役，中央紅軍在5天之內，二渡赤水，再取桐梓，攻占婁山關，複克遵義城，共殲滅和擊潰敵人2個師又8個團，斃傷敵2400餘人，俘敵3000餘人，繳獲大批軍用物資，使紅軍得到及時補充，並取得短期休息的機會。二渡赤水，回師黔北，是在******等指揮下，發揮紅軍運動戰的優勢，取得了長征以來最大的一次勝利。這一勝利，極大地鼓舞了全軍的士氣，狠狠地打擊了國民黨軍特別是蔣介石嫡係部隊的囂張氣焰。