Sau đợt tấn công quyết định của quân Tào, hơn mười vạn quân Tây Lương bị đánh bại, Mã Siêu trốn về Lũng Tây trốn vào trong bộ lạc của người Nhung. Hàn Toại bỏ chạy về Kim Thành vùng Lương Châu, về sau ông không còn thực lực để tham gia vào những trận đánh chống lại nhà Hán. Sau đó, quân Tào còn thừa thắng truy kích tấn công các lực lượng tàn dư của Tây Lương và các tộc người Đê ở vùng Vũ Đô, Du Mi, Khiên Chư. Các tướng tiên phong trong chiến dịch này là Hạ Hầu Uyên, Trương Cáp, Từ Hoảng. Quân Tào đã chém được tướng Tây Lương là Lương Hưng ở huyện Phu và huyện Hạ Dương, thu hàng hơn ba nghìn nhà, vây đánh huyện An Định, chiêu hàng được tướng Dương Thu.[51][52]

Tào Tháo nhận được tin Tôn Quyền chuẩn bị đem quân đánh vào trung nguyên nên ông thu quân về Trường An để ổn định tình hình rồi rút đại quân về phía Đông, để Hạ Hầu Uyên ở lại trấn giữ Quan Trung, đầu năm 212, ông ta đến Hứa Đô.[17][50] Các vị trí chiến lược, cứ điểm quan trọng như Đồng Quan, Trường An, Ký Thành, Lũng Tây… đều được quân Tào kiểm soát, vùng Quan Tây xem như cơ bản được bình định.

Đối với quân Tây Lương mà đặc biệt là với Mã Siêu, chính sự nghi kỵ lẫn nhau trong nội bộ khiến đối thủ thừa cơ dùng kế ly gián khiến liên quân tự bại vong, chuốc lấy thất bại nặng nề, gia đình bị liên lụy. Tam Quốc Chí có ghi nhận[53]: Mã Siêu đã "để kẻ thù thừa cơ xích mích nên ra nỗi binh bại nhà tan". Các tài liệu sử sách không cho biết cụ thể về số liệu thương vong của hai bên, chỉ ghi chép chung chung như "quân Tây Lương đại bại" hay quân Tào "phá được Mã Siêu"… Mặc dù sau đó có chép thêm là quân Tào trong chiến dịch truy kích quân Tây Lương đã chém được tướng Lương Hưng.

Thay đổi về lãnh thổ và dân số:

Sau trận chiến này, có sự thay đổi đáng kể về lãnh thổ biên giới quyền lực của triều Đình Trung ương nhà Hán được mở rộng. Quân Tào đã đuổi đánh quân Tây Lương đến tận An Định, thu hàng được Dương Thu, quy phục được hơn 3.000 hộ dân. Sau khi chiếm được Quan Trung, Tào Tháo lại chiếm luôn cả vùng Quan Tây, cuối cùng thống nhất được miền bắc Trung Quốc, tạo nên một lãnh thổ rộng lớn mà nhà thơ Vương Xán - Một trong Kiến An thất tử đã ca ngợi bằng câu thơ[54]: "Thác thổ tam thiên lý, vẵng phản tốc nhược phi" Tạm dịch: "Mỡ đất ba ngàn dặm, đi về nhanh như bay". Kèm theo việc thay đổi về lãnh thổ là thay đổi về dân số, theo đó dân số vùng Quan Tây có phần giảm hơn trước vì hậu quả của chiến tranh, 3.000 hộ dân theo về với nhà Hán.

Thay đổi về cục diện chính trị:

Sau trận chiến Đồng Quan, cục diện chính trị ở phương Bắc có nhiều thay đổi. Thế lực quân phiệt hùng mạnh cuối cùng đang cát cứ ở phía tây cuối cùng đã bị đánh bại. Quân Tây Lương sau này không còn đủ sức để có thể gây áp lực lên triều đình Trung ương như trước nữa, sự nổi loạn của các dân tộc ít người ở vùng Quan Trung tạm thời bị bình định trong thời gian này. Trở ngại lớn nhất ở phương Bắc đã được dẹp bỏ, Tào Tháo cơ bản thống nhất được miền Bắc Trung Quốc, địa vị chính trị của ông được củng cố một cách vững chắc. Cục diện Tam Quốc từ đây được hình thành một cách rõ ràng hơn.

Việc quân Tào chiến thắng ở trận Đồng Quan, tiêu diệt được hai thế lực cát cứ cuối cùng là Mã Siêu và Hàn Toại làm cho cục diện chính trị ở phương Nam cũng có sự biến động. Sau khi tin chiến thắng của Tào Tháo được lan truyền, vùng Hán Trung rung động. Chúa Hán Trung là Trương Lỗ phán đoán quân Tào sau khi chiếm Quan Tây sẽ tiến đánh Đông Xuyên mà mục tiêu hàng đầu là Hán Trung. Từ đó ông ta khẩn trương xúc tiến kế hoạch chiếm Tây Xuyên để có đủ lực lượng chống lại Tào Tháo. Hệ quả là chính quyền ở Tây Xuyên do Lưu Chương đứng đầu vì lo ngại bị chiếm đóng nên phải cầu cứu bên ngoài. Chớp thời cơ đó, Lưu Bị nhanh chóng dẫn quân vào Tây Xuyên chiếm đóng và thành lập Nhà nước Tây Thục. Theo nhà nghiên cứu Cát Kiếm Hùng thì sau khi Tào Tháo đánh bại Mã Siêu, Hàn Toại, họ Tào làm chủ cả Quan Trung, làm chấn động hai Xuyên, lúc đó Lưu Bị mới xua quân về phía Tây.[55]