七日解放了这个黔北重镇。毛泽东同周恩来、朱德等随军委纵队于九日下午进入遵义城。
这时，蒋介石得到空军的侦察报告说红军进驻遵义地区后方向不明，批准“追剿军总指挥”薛岳的请求，令第一纵队吴奇伟部集结贵阳、清镇一带整训待命；第二纵队周浑元部在乌江南岸对遵义方向警戒。这在客观上给中央红军的休整提供了条件。
毛泽东、王稼祥等向中共中央提出，立即准备召开政治局扩大会议。伍修权回忆说：
“这时王稼祥、张闻天同志就通知博古同志，要他在会议上作关于第五次反‘围剿’的总结报告，通知周恩来同志准备一个关于军事问题的副报告。”⒂
毛泽东、张闻天、王稼祥也认真准备发言。经过共同讨论，由张闻天执笔写出一个反对“左”倾教条主义军事路线的报告提纲。毛泽东过去在开会时一般都是即席发言，这次也写出一个详细的发言提纲。
博古意识到这次会上必有一场争论，事前进行活动。支持博古的政治局候补委员凯丰曾几次找聂荣臻谈话，要聂在会上发言支持博古。聂荣臻没有答应。凯丰向博古汇报说：“聂荣臻这个人真顽固！”
一月十五日至十七日，在遵义城红军总司令部召开中共中央政治局扩大会议。出席会议的政治局委员有博古、周恩来、张闻天、毛泽东、朱德、陈云，政治局候补委员有王稼祥、邓发、刘少奇、凯丰，红军总部和各军团负责人有刘伯承、李富春，林彪、聂荣臻、彭德怀、杨尚昆、李卓然，还有中央秘书长邓小平，军事顾问李德及翻译伍修权也列席会议，共二十人。
会议由博古主持，并作了关于第五次反“围剿”的总结报告。他对军事指挥上的错误作了一些检讨，但主要还是强调种种客观原因。周恩来作副报告，提出第五次反“围剿”失利主要原因是军事领导的错误，并主动承担了责任。随后，由张闻天代表他和毛泽东、王稼祥作联合发言，尖锐地批评“左”倾军事路线。接着，毛泽东作了长篇发言，指出：导致第五次反“围剿”失败和大转移严重损失的原因，主要是军事上的单纯防御路线，表现为进攻时的冒险主义，防御时的保守主义，突围时的逃跑主义。⒃他还以前几次反“围剿”在敌强我弱情况下取得胜利的事实，批驳了博古用敌强我弱等客观原因来为第五次反“围剿”失败作辩护的借口。同时，比较系统地阐述了适合中国革命战争特点的战略战术和今后军事行动的方向。会后陈云在传达提纲中说：
“扩大会中恩来同志及其他同志完全同意洛甫及毛王的提纲和意见，博古同志没有完全彻底的承认自己的错误，凯丰同志不同意毛、张、王的意见。”⒄
毛泽东在六十年代初曾多次讲到凯丰当时用反批评的方式来维护博古、李德。他说：
“遵义会议时，凯丰说我打仗的方法不高明，是照着两本书去打的，一本是《三国演义》，另一本是《孙子兵法》。其实，打仗的事，怎么照书本去打？那时，这两本书，我只看过一本——《三国演义》。另一本《孙子兵法》，当时我并没有看过。那个同志硬说我看过。我问他《孙子兵法》共有几篇？第一篇的题目叫什么？他答不上来。其实他也没有看过。从那以后，倒是逼使我翻了翻《孙子兵法》。”⒅
会议采纳刘伯承、聂荣臻的建议，决定红军准备北渡长江，在成都西南或西北建立根据地。经过三天热烈讨论，会议还作出下列决定：“（一）毛泽东同志选为常委。（二）指定洛甫同志起草决议，委托常委审查后，发到支部讨论。（三）常委中再进行适当的分工。（四）取消三人团，仍由最高军事首长朱、周为军事指挥者，而恩来同志是党内委托的对于指挥军事上下最后决心的负责者。”⒆
遵照会议的决定，洛甫根据毛泽东的发言内容起草了《中央关于反对敌人五次“围剿”的总结的决议》，经政治局通过后印发各支部。决议指出，“军事上的单纯防御路线，是我们不能粉碎敌人五次‘围剿’的主要原因”；同时充分肯定了毛泽东在历次反“围剿”战役中总结的符合中国革命战争规律的积极防御的战略、战术原则。
遵义会议后不久，在常委中重新进行分工，由张闻天替代博古负总责；以毛泽东为周恩来在军事指挥上的帮助者。
遵义会议在中国革命最危急的关头，依据民主集中制的原则，独立自主地解决了党中央的组织问题，结束了王明“左”倾教条主义在中央长达四年之久的统治，确立了毛泽东在党中央和红军中的领导地位，“走自己的路”，从而挽救了党，挽救了红军。
毛泽东在身处逆境的情况下，经历了长时间被孤立的痛苦磨练，他深切地领悟到团结大多数的极端重要性。长征路上，他在中央领导层中一个一个地做工作，让正确的意见为大多数人所接受，这才实现了遵义会议的巨大转折。贺子珍说：遵义会议后，毛泽东对我感叹地讲：“办什么事都要有个大多数啊！”她比别人更清楚地察觉到：
“毛泽东在遵义会议以后，有很大的变化，他更加沉着、练达，思想更加缜密、周到