9月30日，红十五军团以骑兵团组成特别支队，在绕过海原县城后，连续奔袭20多小时，行程300多华里，以便抢在胡宗南部之前袭占会宁。骑兵团特别支队10月2日凌晨潜入会宁城，晨5时发起突然攻击，战斗一个多小时，占领了这个当时的战略重镇。七十三师随即进驻县城。同时在城外构筑工事准备迎敌。至此，红十五军团控制了豫旺、同心城、海原、打拉池、郭城驿、会宁地区，掌握了三军会师的枢纽。红军进驻会宁后，即搭彩门，写标语，筹粮食，迎接二、四方面军到来。红一方面军上上下下，赶制棉衣、鞋袜、毛衣、手套，准备送给远道而来的战友。
10月7日，红十五军团七十三师及骑兵团在会宁县城与红四方面军先头部队四军一部会合。10月7日，周子昆致叶剑英电中说：“四军一部七号在会宁与七十三师会合。”转引自孙学宝编写：《红军三大主力会师问题研究综述》，《长征大事典》下卷，贵州人民出版社1996年版，第2125页。
8日，一方面军一军团一师、十五军团七十三师与抵达会宁青江驿、界石铺的四方面军先头部队会合。
9日，朱德、张国焘、徐向前、陈昌浩率红军总部、四方面军总指挥部和四军、三十一军到达会宁彭德怀10月10日致毛泽东电中说：“朱张徐陈昨到会宁。”，与一方面军会合，受到当地一方面军指战员和群众的热烈欢迎。朱德同红一师师长陈赓见面谈话时禁不住热泪盈眶。他还同在90里外界石铺的红二师政委肖华通了电话，谈了足足半个钟头。据《朱德传》，中央文献出版社2006年版，第387页。
10日，中共中央、中华苏维埃中央政府、中央军委发出通电，热烈祝贺三大主力会师，指出：“我们即刻就要进入一个新阶段了，这就是抗日民族革命战争的阶段，就是创造全国国防政府抗日联军民主共和国的阶段。我们要在这个新阶段中树立全国人民的模范，树立抗日战线的模范，争取一切国民党军队加入抗日民族统一战线，开通抗日前进道路，扩大抗日根据地，巩固抗日根据地，为保卫西北而战，为保卫华北而战，为保卫全国而战，为收复失地而战，为联合工农商学兵，为联合各党各派各界各军驱逐日本帝国主义出中国而战。”
当天晚上，一、四方面军在会宁文庙举行庆祝两大主力红军会师联欢大会。会上宣读了党中央的贺电。红四方面军总指挥徐向前、政委陈昌浩，红一方面军第一军团十一师师长陈赓，分别代表四方面军和一方面军致祝词。会上，红一方面军指战员向红四方面军战友赠送了大批预先准备好的慰问品。
同日，西方野战军司令员兼政委彭德怀致电西北革命军事委员会主席毛泽东，报告一、四方面军在会宁联欢及部队行动部署。
毛泽东当天致电彭德怀谈张国焘目前的态度和要彭同朱、张会面及相关事宜。电文说：朱、张已到会宁，询问见面人员与地点，中央已复。我们意见，以兄西去就他们为宜。朱、张来电称中央及毛、周、彭，自称西北军委，又一电称执行毛、周、彭所示任务，亦事实上承认我们军委。我们方面曾有两电去，称朱总司令、张总政委，以后即照此种方式解决，以便顺利执行宁夏战役。朱、张以两总名义，依照中央与军委之决定指挥各军作战。为使之增加对于执行军事任务的坚决性，防止可能的动摇性（在目前是防止对宁夏战役之某种可能的动摇性），兄须加以特别之注意。见面时对老问题请一概不谈。转引自《长征大事典》上卷，贵州人民出版社1996年版，第658页。
从10日毛致彭电可见，在一、四方面军会合后的重要一环，是争取张国焘使其坚定地执行中央方针而不再动摇。为进一步达到统一团结，张闻天于10月16日主持政治局常委会，决定请国际代表林育英前往四方面军做政治工作。早在即将同红四方面军会合的时候，中央就有此打算。现在两个方面军已经会合，林育英此行很有必要。10月5日，张闻天、周恩来、毛泽东即致电林育英：“红四方面军屡次来电要求你去一次，我们觉得有此必要。请你立即结束现任工作，十月二十日前到同心城，与朱、张会面，转达国际七大精神。”
在常委会上，张闻天指出，林育英到红四方面军的任务是：“代表中央传达中央和国际的决议。”工作的原则是：“对一切具体问题，采取商量态度，要有弹性、有忍耐心。”据1936年10月16日政治局常委会会议记录。
毛泽东发言作了进一步分析、阐述和发挥。他说：四方面军拥护中央是真诚的。对四方面军应该有个整理，并且应该经过张国焘，才更顺利些。我们应该帮助他，使他的进步能更顺利，并经过他将四方面军整理好。林育英同志去的任务，主要在政治方面完成统一团结，将四方面军的政治、军事、文化水平提高一步。关于国焘过去错误的性质与程度问题，原则上是不说的。但如说到时应指出：这一错误是严重的政治上组织上的错误；另一方面应指出是个别的、是机会主义性质的（对中央路线估计不足），但不是整个路线的错误。因为就其整个历史来说，还只是某个时期个别的错误。还有一点，如果他以后不再犯这样严重的错误，将来不一定提这一错误。如果仍继续发生这样的错误，那是应与之作斗争的。据1936年10月16日政治局常委会会议记录，转引自《毛泽东年谱（1893-1949）》（上卷），人民出版社、中央文献出版社1993年版，第597页。会后，毛泽东又约林育英和同行的聂洪钧、刘导生到住地谈话，交代他们多看别人的长处，少说别人的缺点，注意搞好同二、四方面军的团结。《毛泽东年谱（1893-1949）》（上卷），人民出版社、中央文献出版社1993年版，第599页。
林育英肩负促进统一团结的使命，即从保安启程，于10月19日到达同心城，会见二方面军领导人。11月上旬抵达关桥堡，会见朱德、张国焘，传达国际和中央的精神，谈了不少情况，并就军事部署进行了研究。张浩对张国焘诚恳地进行说服教育，还在四方面军指战员中做了细致的政治工作，介绍国内外形势和抗日民族统一战线的发展，宣传加强团结的意义，讲解中央的决策。对消除隔阂、增进团结起了很好的作用。
红二方面军一直承担钳制敌人的任务。由于张国焘的迁延，以打击胡宗南部为目标的静会战役计划未能实现，致使在成县、徽县、两当、康县一带的二方面军陷入腹背受敌的境地。10月3日，中央同意二方面军首长意见，电令贺龙、任弼时、关向应、刘伯承“你们宜乘胡敌尚未全部集中之时迅速开始转移为佳”。10月4日，红二方面军即撤离成、徽、两、康地区，从天水以西渡渭河分两路纵队北移，以期实现三大主力会师。由于敌情紧迫，转移仓促，在康县活动的二军六师十七团来不及集结，被敌人包围在阳坝一带。全团指战员浴血奋战，壮烈牺牲。六军经过娘娘坝时遇敌，十六师师长张辉牺牲。通过渭河封锁线时，六军在甘谷以南之盐关镇遭敌侧击，十六师投入战斗，仅一部分突围，师政委晏福生身负重伤。部队徒涉渭河，暴雨致河水陡涨，一些战士被冲走。在通过西兰大道向六盘山前进途中，四师奉命在六盘山南麓阻击敌人，使二军主力胜利通过，但后勤蒙受很大损失。贺龙回顾这段历史时说：“张国焘违背中央军委的指示，二方面军几乎遭到全军覆没。这是长征中最危险的一次。”转引自《长征大事典》（上卷），贵州人民出版社1996年版，第731-732页。
经过艰苦卓绝的战斗，红二方面军右纵队第六军终于于10月18日到达会宁老君铺，同红一方面军二师五团会合。10月21日，红二方面军总指挥贺龙、总政委任弼时等率二军团一部到达静宁县平峰镇，与红一军团代军团长左权、政委聂荣臻会面。22日，贺龙、任弼时等率红二方面军总指挥部和左纵队到达隆德县将台堡。10月23日，继二方面军总部和二军团在平峰镇、将台堡与一方面军会师后，红六军团在兴隆镇同一方面军会师。这时红二方面军还有11000余人。会师后，红一方面军送去粮食数万斤，羊、猪、牛2000多头，棉衣1000多套，羊皮几万张，布500匹，银元30000多块，表示欢迎和慰劳。
至此，红一方面军与红二方面军、红四方面军这红军的三大主力在甘肃南部会宁、静宁地区实现了大会师。
红军三大主力会师宣告了蒋介石剿共灭红政策的破产。但他不甘心失败，虽然国共之间“停止内战，一致抗日”的谈判正在进行，他还是企图乘红二、四方面军经过长途跋涉刚到陕甘宁边区，十分疲劳且立足未稳之际，集中优势兵力围而歼之。他在甘南会宁、静宁地区就集中了胡宗南第一军、王均第三军、毛炳文第三十七军和东北军王以哲第六十七军及何柱国骑兵军共五个军的兵力。10月22日，蒋介石亲临西安督战。
为战胜敌人，毛泽东、彭德怀等制定了中央军委的作战方针：逐次转移，诱敌深入，集中优势兵力给蒋氏嫡系胡宗南第一军以歼灭性打击；对第三、第三十七两军，予以钳制，相机打击；对东北军两军，积极进行统战争取工作。
10月31日，红军主力向豫旺、同心城转移。进至海原之敌马鸿宾第三十五师和何柱国骑兵第六师由海原向西安州方向截击红军。红一军团一师在红十五军团七十三师及骑兵团配合下进行反击，在海原以北的何家堡地区消灭敌人两个团，俘敌1000余人，缴获马匹、枪支各1000余。残敌逃回海原。为争取东北军，红军对所俘骑兵第六师的官兵，以礼相待，经宣传教育后全部释放，并归还缴获的马匹、武器。
11月，胡宗南部恃强骄纵，孤军冒进，分三路向豫旺地区进攻。中央军委指示，红军主力“应即在豫旺县城以东向山城堡迅速靠近，集结力量，准备一仗”。山城堡是一个小村落，在洪德城西北，属环县。这里有一股笔孔大的泉水。彭德怀估计，胡宗南部离开山城堡西北60里之甜水堡后，即无处找到饮水，非到山城堡不可。据《彭德怀自述》，人民出版社1981年版，第217页。这里正是设伏歼敌的好地方。红军前敌总指挥彭德怀命会合后的三个方面军各部队从11月16日开始即向山城堡南北地区集结。
这时，胡宗南按照蒋介石的命令，于11月17日将所部分三路向定边、盐池前进。左路第一师一旅由惠安堡东进；中路第二旅向萌城、甜水堡前进；右路第七十八师由田家园向山城堡前进。
当此时，周恩来于11月18日到达红军前敌总指挥部所在地河连湾。他是代表中共中央来迎接二、四方面军的。周恩来11月15日离开保安，18日赶到这里。在这个集镇的大路口，他热情地欢迎朱德和张国焘。周恩来向他们介绍了中央红军到达陕北一年来形势的巨大变化，谈了同张学良谈判的情况。据《周恩来传（1898-1949）》，中央文献出版社1998年版，第320页。张国焘感到“世界是真的变了，而他又确已得了风气之先。”张国焘：《我的回忆》第3册，现代史料编刊社1981年版，第317页。
11月19日，周恩来会同前敌总指挥彭德怀、政委任弼时、参谋长刘伯承等一起制定了以集中主要兵力歼灭第七十八师为重点的山城堡战斗作战部署：红一、红十五军团和红四、红三十一军在山城堡之东、南、北地区隐蔽，待机出击；红二方面军集结于洪德城、环县地区，担任策应各方和迟滞东北军的任务；红二十八军在红井子一带钳制敌左路第一旅。
11月20日，敌七十八师进占山城堡，企图由此继续向东攻击。21日，预先埋伏在山城堡附近之红一、红十五军团和红四、红三十一军，在彭德怀总指挥等的指挥下，突然向进占山城堡之敌发起猛烈攻击，将敌人四面包围。敌人只得凭借围寨顽抗。经过一昼夜激战，敌七十八师二三二旅与二三四旅两个团全部被歼灭。与此同时，向盐池方向进攻之敌也被红十五军团的二十八军击溃。山城堡战斗红军获得全胜。
山城堡战斗是长征的最后一战，也是第二次国内革命战争的最后一战。
山城堡战斗是红军三大主力一起到达了长征的落脚点——陕甘宁苏区以后，在党中央指挥下一起打的一个大胜仗。这一战的胜利，粉碎了蒋介石的最后一次围追堵截，从而完全结束了长征。采取朱德在山城堡战斗祝捷大会上的讲话（见下文）和刘伯承《回顾长征》、聂荣臻《结束第二次国内革命战争的最后一战——山城堡战斗》、成仿吾《长征回忆录》等文的观点。
山城堡战斗推动了西安事变的爆发，并以和平解决西安事变为转机，实现了国内和平，形成了以国共第二次合作为基础的抗日民族统一战线。这一仗的胜利是彻底粉碎了国民党反动派长达十年的反革命“围剿”的标志，从而完全结束了第二次国内革命战争。
11月23日，在山城堡举行祝捷大会，三个方面军的团以上干部参加，听取了中央军委代表和各红军领袖的报告。据朱德、张国焘、彭德怀、周恩来、贺龙、任弼时、关向应、徐向前、陈昌浩等致毛泽东转中共中央、中央军委电，转引自《中国红军长征史》，中共党史出版社1996年版，第337页。朱总司令在讲话中指出：从三大红军西北大会师，到山城堡战斗，结束了长征，给追击的胡宗南部队以决定性的打击。长征以我们胜利敌人失败告终。我们要在陕甘苏区站稳脚跟，迎接全国抗日救亡运动的新高潮。据萧锋：《长征日记》，上海人民出版社1979年版，第191页。