El triunfo de Avilés y Lerdo fue sólo el preludio del que los villistas esperaban obtener atacando a Torreón, donde el general Eutiquio Murguía había quedado con sus fuerzas mermadas a consecuencia del tremendo descalabro sufrido. Munguía se preparó con febril desesperación a defender la ciudad, ordenando que en los cerros de la Polvorera, de Calabazas, y de la Unión, se fortificaran tres destacamentos de infantería, en tanto que en las fábricas de la Metalúrgica y de La Unión, en la vía del ferrocarril, y en el cerro de La Cruz se hacían fuertes los destacamentos de artillería y las gentes mandadas por Argumedo y Campa. Villa movilizó a sus tropas divididas eh dos poderosas columnas. Una, compuesta por las brigadas "Villa" y "Morelos", avanzó por el cañón del Huarache, y la otra, formada por las brigadas "Zaragoza" y "Yuriar", se encaminó por el cañón donde estaban instaladas las principales fábricas de la ciudad.
A las cinco de la tarde del jueves 30 de septiembre los revolucionarios iniciaron intenso tiroteo contra los huertistas de los cerros de Calabazas y de la Polvorera y al caer la noche ya se habían posesionado de ellos, emprendiendo un furioso ataque contra los federales del cerro de La Cruz.
Las piezas de artillería que los villistas habían cogido en Avilés sirvieron en aquella ocasión eficazmente. Los federales huyeron en desbandada por el cañón del Huarache, perseguidos con saña por la infantería y los jinetes revolucionarios. El general Villa, siempre en la línea más peligrosa del combate, dispuso que para la arremetida final los soldados avanzaran pie a tierra, sin sombrero y con el brazo derecho arremangado, a fin de que tuvieran mayor libertad de movimiento en el uso de la bayoneta y la carabina.
Al grito de ¡Viva Villa!, en un instante se generalizó el asalto. Dueños absolutos de las riberas del río Nazas, los revolucionarios siguieron avanzando, en un movimiento envolvente, hasta que a las nueve de la noche del miércoles lo. de octubre penetraron en los barrios aledaños de Torreón.
La tropa federal, desmoralizada, diezmada, fatigada por el adverso y agotador combate de todo el día, comenzó a abandonar sus puestos. El general Munguía, al ver que la derrota era ya inevitable, siguió a los que huían y abandonó Torreón. El general Anaya fue el último que quedó en la plaza sin jefe y no teniendo de quién recibir órdenes, no queriendo sacrificar a sus hombres, optó por batirse en retirada con los escasos soldados que le quedaban.
En media hora Torreón quedó en manos de los villistas. Pancho Villa recordó tiempo después aquel hecho memorable diciendo: El enemigo, medroso de afrontar mi ataque en las sombras de la noche, ya había abandonado sus posiciones y se alejaba de la población al amparo de la oscuridad y de una tolvanera que se había levantado. Mas ni las dichas circunstancias habrían evitado a los traidores su desbarate final si no fuera porque el río, muy crecidas las aguas, cerró el paso de las fuerzas de Maclovio Herrera, que intentaba dar el alcance hacia el oriente .
Los federales abandonaron un botín capaz de hacer la felicidad del más ambicioso revolucionario: 11 cañones, 297 granadas, 299 fusiles, 5 ametralladoras, 492.800 cartuchos, 39 locomotoras, furgones, jaulas y plataformas dé ferrocarril. Mientras las bajas villistas fueron escasas, los huertistas tuvieron 232 muertos y se les tomaron 109 prisioneros. También cayó en manos de Villa el famoso cañón "El Niño", que los federales cuidaban mucho y llevaban emplazado en un carro blindado de ferrocarril.
El país entero se estremeció con la noticia de que Pancho Villa se había apoderado en un santiamén de la ciudad de Torreón y el general Munguía, una vez que hubo entregado los restos de la "División del Nazas" se dirigió hacia la capital de México, en donde se le sometió a proceso, pues el general Huerta, con fecha 10 de aquel mes de octubre, dictó orden de proceder en su contra por considerar que la defensa no había estado a la altura de su deber. En el curso de aquel proceso se asentó que las causas de la caída de Torreón, en manos de los constitucionalistas, habían sido los siguientes:
1) Aunque las tropas federales se batieron con vigor, sucumbieron cuando, por la falta de municiones de artillería, se hizo patente la superioridad numérica de los atacantes se dijo que habían atacado Torreón entre 6 y 7.000 hombres.
2) La moral de las tropas defensoras sufrió mucho con la derrota ocurrida en Avilés por el general Álvarez, suceso que fue exagerado por la voz popular.
Además, la colonia española de Torreón, alarmada por los fusilamientos de algunos españoles en diversas haciendas cercanas a Torreón, abandonaron en masa la población, arrastrando en su huida a las tropas federales que ya estaban desmoralizadas
