直奉大戰，兵分三路，幾乎是同時開戰。
整個戰爭是在長辛店、固安、馬廠展開，而最激烈的炮火則是在北京南三十至五十公裏的長辛店和琉璃河之間進行的。兩軍有敗有退，張作相拚命抵抗，命大炮猛攻直係前沿陣地，幾次率部攻擊，均被戰火壓回，最後炮彈用光。直軍吳佩孚命死守長辛店，不能退卻，命令西路十三混成旅董振國堅守陣地，使奉軍疲於應戰。張作相也是幾次欲奪回長辛店，和直係展開拉鋸戰，相峙一天一夜，兩軍傷亡無算。
五月三日晚，吳佩孚細作探得奉軍炮彈未能及時運到，他又親自到前沿觀戰，幾次挑釁，發現奉軍炮火銳減，便派部下牽製奉軍正麵部隊，另派精兵繞道前進，改守為攻。第二天清晨，大批直軍直撲蘆溝橋，使奉軍腹背受敵，陣腳全亂。吳佩孚從潼關調來的一個旅也及時趕到，迅速投入戰鬥。
吳佩孚見大勢已到，下了道死命令，前進者賞，後退者殺。
吳佩孚一貫如此，並親率衛隊在前方堵截逃兵，回頭者就地槍決。直軍沒有回頭路，隻能往前，收複長辛店後，直殺到豐台，撕開張作霖合圍北京之網。至此，奉軍西路軍開始總崩潰，往後退卻。再說那張景惠，本收了吳佩孚的厚禮，看到大勢已去，而且手下十六師在前線通電助直，他幹脆來個順水推舟，裝作敗下陣來，算是還了吳佩孚的人情。
奉軍的十六師，原本是馮國璋的禁衛隊，現在的情況和直皖 戰爭差不多，當初十五師長劉詢因為不滿段祺瑞將其推向前沿送死，本也是直係的部隊，所以來個倒戈。十六師也一樣，原本也是直係的師長王廷禎被奉係趕走，改派鄒芬，這次讓他打頭陣攻直係，本來就不情願，遇到機會，便把張作霖給賣了。
固安的中路軍，聽說西路總潰敗，軍心大亂，再加上吳佩孚那些無中生有的“號外”，部隊無心戀戰，也相繼敗下陣來，紛紛向天津逃竄。
隻有張學良的東路軍，略有小勝，在西路失敗，中路退卻，十六師倒戈的情況下，張學良很果斷指揮自己的部下，在郭鬆齡的協助下，一邊牽製直係的部隊，一麵有秩序地撤退。戰鬥中，直係的騎兵找到張學良的司令部，發動了突然襲擊。張學良大叫一聲，躥上房，揮著父親贈給他的指揮刀，臨危不懼，率不足二百人的衛隊和親信幕僚迎擊敵人。隨從要將他弄下房，他說：“戰事危急，我能動乎?寧死於此，亦不能動。”兵士們見主帥如此，個個奮勇無比，將數倍的直係騎兵多次擊退，堅持到援軍趕到。張學良得令撤退後，在山海關，又遭到直係追兵的攻擊，他率三旅遏止了追兵，使張作霖能有機會向日本求援，給直係施加壓力。
一轉眼，奉軍大敗，北京的政局又成曹錕和吳佩孚的了。
徐世昌見直係得了勢，趕緊表態，下令奉軍退出關外，免除張作霖東三省巡閱使、奉天督軍和省長各職，聽候查辦。吳佩孚更為陰險，他密電徐世昌任命吳俊升署理奉天督軍，馮德麟署理黑龍江督軍，袁金鎧署理奉天省長。吳佩孚以奉攻奉，自以為很得計，哪承想，幾個督軍根本不買賬，拒絕接替張作霖在東三省各職。
張作霖見到徐世昌和吳佩孚勾結起來對付他，索性宣布獨立，自封奉軍總司令，並通電全國曰：於五月一日起，宣布東三省一切政事由東三省人民自作主張。並與西南各省及長江各省同誌，取一致行動，擁護法律，扶植自治，鏟除強暴，促進統一。張作霖的行為，雖然得到日本人的賞識，可他隻想利用日本的勢力，不想完全讓日本人左右，為了給洋人看，他打出“閉關自治”和“聯省自治”的旗號，以孫烈臣為前敵總司令，吳俊升為副司令，楊宇霆為參謀長，在秦皇島又與直軍接觸。
這下惹惱了外國人，聯合向奉係提出警告，認為奉係的行為影響了國際列車的安全。張作霖這才不得不接受英美的停戰建議。
吳佩孚也不敢把張作霖逼到絕路上，並沒打算關外用兵，他怕影響日本人在東三省的利益，惹日本人發火，另外，他手下幹將王承斌是張作霖同鄉，心有顧忌，加之曹錕得到現有地盤，不想失手丟掉，況且他和張作霖本是姻親，一直就有些手軟。於是，六月十八日，直奉在英國軍艦上簽定了停戰協議。
直奉戰，以奉軍敗北而結束。張作霖在這次戰爭中，看到奉軍的弱點，決定整軍經武，擴軍備戰。
原來奉係一些老軍人，對張學良和郭鬆齡的作法很不以為然，認為那兩個旅不過也是個花架子，經看不經用，通過這次戰爭，也不得不承認，經過整訓的兩旅確實能打仗。張作霖宣布東北獨立後，自任保安總司令，並在司令部下成立東三省陸軍整理處。張作霖自兼統監，孫烈臣為總監，張作相、薑登選、韓麟春為副監，張學良為參謀長，郭鬆齡為副參謀長，籌劃一切。
張作霖明知這樣做，對部隊是件好事，但也有些不放心，那就是東北軍一些舊軍人的位置將如何安排?這些人雖然沒有受過特殊的軍事訓練，但對張作霖忠心耿耿，若是讓張學良以新式的方法練兵，這些高級將領能否接受呢?對此，張作霖雖然下命令了，遲遲沒付諸行動，倒是張學良等不及，直接麵見父親，陳述自己的觀點。
張學良對父親說：“現在形勢逼人，全世界各地都主張科學用兵，可咱們東北軍，居然還有軍人靠算卦來決定成敗，奉軍哪有不敗道理。”
張作霖說：“咱們天時地利，說得過去就可以了。你這次在戰場上表現不錯。”，
張學良打斷父親的話說：“若都像我這兩個旅那樣，今天坐鎮北京的就該是父親而不是吳子玉那奸臣了。我看要改，小改是不行的，就得大改，建軍就要從根本上解決問題。”
張作霖說：“那些老將們怎辦，怎樣安置才不失他們的臉麵呢?”
張學良說：“我早就考慮到這一點了，可以多派給他們些懂得戰術的參謀。反正我想，既要照顧到和父親一同打江山的老一輩叔伯們，也要精選一些後起之秀。隻有這樣，奉軍才有希望。”
一席話，把張作霖到底給說動了。
張學良所謂的整軍，更多的是依靠他和郭鬆齡在三、八旅的整軍經驗，並向全軍推廣，在條件允許的情況下，下級軍官要接受戰術訓練，中、上級軍官則必須到軍校進修。張學良還以高薪厚祿從南方軍校挖來一些軍事人才，到東北講武堂任教。整頓陸軍同時，張學良還加強了海軍和空軍的建設，並從法、意購買多架新式飛機、艦船等。張學良擴充東北兵工廠，不僅能造槍支，而且還能造追擊炮。
東北軍在張學良等一些有知識的新式軍人的推動下，兩年後，成為兵種齊全、初具現代化規模的正規軍，陸軍號稱三十萬，計步兵二十七個旅，騎兵五個旅，還有以團為單位的強大炮兵，是一支很有戰鬥力的部隊。
出師大捷的曹錕和吳佩孚，所關心的就是怎樣把中國“統一起來”。現在的局勢，不僅東北的張作霖秣馬厲兵，各地的大小軍閥看到從中央政府裏得不到實惠，都蠢蠢欲動，高喊著“聯省自治”的口號。這些也確實讓曹、吳頭疼。吳佩孚從天津趕到保定，召開會議討論未來局勢的發展，實際上是他又一次陰謀倒閣的分贓會。舊國會議長吳景濂、王家襄也都參加了會議。直係一些強硬派都想把曹錕給抬出來，逼迫徐世昌下台。
吳佩孚卻另有打算，他還不想把事情幹得那麼露骨。這時，廣東傳來一個驚人的消息，讓吳佩孚大大舒了一口氣，原本他還打算讓非常大總統孫中山以和平為重，暫且退位，發生一件事，倒不用他做手腳了。