在中共和多方人士的共同努力下，西安事变得以和平解决。不料，张学良送蒋介石回到南京后被扣留。为救回张学良，东北军内部出现了两派：一派主张对南京使用武力，一派主张通过和平谈判解决。主战派和主和派矛盾十分尖锐，1937年2月2日，以孙铭久为首的少壮派突然下手，杀害了东北军的高级将领主和派王以哲等人，并坚持不让东北军撤出西安，还准备对抗陈诚率领的中央军进驻西安。
此时，东北军刘多荃部已按照和议撤到渭南防地。惨杀事件发生后，刘多荃师长在渭南和高崇民等人紧急研究对策。于是刘多荃立即命令他的一个团到临潼，向西安作攻势。这一招果然有效，孙铭久等人遵令离开西安，市内秩序旋即恢复。在2日晚10时左右，中央军樊嵩甫部，竟乘隙进军，想发动袭击，刘多荃打电话质问顾祝同，是否要打？打，我们就打。顾说他不知道此事，答应即行制止，嘱刘沉住气。很快，该部就停止了前进，顾还以电话告刘，适才前进部队隶属民团。刘说不管什么部队，停止前进就行。
枪杀王以哲事件发生后不久，缪澄流军长曾派人追拿孙铭久等人，但没成功。孙铭久等人曾进入苏区，由于嫌苏区太苦，转而又去了上海。枪杀王以哲军长的于连长，后被刘多荃密令处死。还有高福源旅长，刘多荃听报告说杀王以哲军长时，是高福源在粉巷指挥的，刘认为高也是少壮派，就密令驻西安的葛团长将高福源暗杀。实际上，高福源是王以哲的亲信好友，不可能杀王。高当时出现在粉巷，实是偶然，他并没有参与“二二事件”，他的死是冤枉的。
西安事变和平解决后，东北军被整编成6个军。刘多荃任第四十九军军长，辖第一0五师（师长高鹏云）和第一0九师（师长赵毅）。1937年8月中下旬，日军开始沿津浦线大举南犯。刘多荃率第四十九军在沧县及静海附近与日军发生激烈冲突，日军以猛烈的炮火向静海轰击，四十九军被迫向南撤退。
1937年10月底，第四十九军被调到淞沪战场。一0五师在钱江弄、江桥一线坚守阵地，遭到日军重火力猛攻，全师官兵奋勇杀敌，以死报国，六二六团团长顾忠全壮烈牺牲，该团一营伤亡过半。一0九师在纪王庙、马同桥一线与数倍于己的日军苦战，无所畏惧，4个团长有3个相继殉国，营长伤亡了三分之二，整个师基本都为国捐躯了。
第四十九军虽然损失惨重，但在战后蒋介石并不给补充。万般无奈之下，刘多荃带着一0九师师长赵毅亲自到武汉去活动，花了好大一笔钱才打通了门路，调来了全部徒手的预五师补充一0九师。事先讲好条件，赵毅仍为一0九师师长，原预五师的团长以上主官全部留任。刘多荃将张学良当年留用的一部分武器装备该师。补充后的一0九师全是捷克式步枪，每连六挺捷克式轻机枪，每营配有重机枪连，团有迫击炮，装备精良。然而刘多荃、赵毅高兴没多久，在一次下命令让一0九师开拔时，原预五师留任的4个黄埔生团长全部告长假，部队一点也开不动。事情反映到蒋介石那里，蒋介石非但不处分故意捣蛋的团长，反而借机将赵毅撤职，换上了嫡系李树德，刘多荃任命的其他东北军军官也都被撤换掉，接着又将一0九师划归第一战区刘峙指挥。
1939年大批日军猛攻南昌，刘多荃率部守御松山、万家埠一线。由于作战失利，又被蒋介石借题发挥，将刘多荃由中将军长降为上校。一0五师师长王铁汉撤职留任，责令戴罪立功。副军长高鹏云、参谋长秦靖宇相继调离，另派中央嫡系林耀堂和凌振仓分别继任。就这样，第四十九军实际上是名存实亡了。
1941年12月，王铁汉升任第四十九军军长。1947年9月，第四十九军被调往东北参加内战，后来在辽沈战役中被人民解放军全歼。
1941年11月，刘多荃任第十集团军副总司令，12月兼任热河省政府主席，1943年6月任第十二战区副司令长官。解放战争时期，蒋介石为拉拢原东北军将领为他打内战，委任刘多荃为华北“剿总”副司令、热河省政府主席，并晋级陆军上将，成为傅作义的副手。
1948年底，刘多荃举家迁往香港，新中国成立前夕在香港通电起义。恨极了刘多荃的国民党特务在10月1日新中国成立这一天，将仍在国民党军队任职的刘多荃长子刘全礼杀害。
1949年12月，在有关部门的帮助下，刘多荃从香港返回北京，后任政务院参事、辽宁省交通厅厅长、辽宁省第四届政协副主席等职。1985年在北京病逝。
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