直係方麵，7月9日，曹錕在天津召開誓師大會，成立“討逆軍”，自任總司令，吳佩孚為前敵總司令兼西路總指揮，其司令部設在高碑站。第一混成旅旅長王承斌為後路總指揮，留守鄭州，第四混成旅旅長曹瑛和奉軍李景林部為東路正副總指揮，占據楊村。
7月10曰，段祺瑞以吳佩孚不僅不交卸軍隊，反而開進為由，下令向直係發動進攻。11日，曹錕發出通電，聲稱“目的一日不達，錕一日難卸甲”。
12日，曹錕又和張作霖聯名通電討伐段祺瑞，不再隻是針對徐樹錚，而是明確打出了“討段”的旗號，稱“皖係軍閥恣勝專橫，唯有秣馬厲兵，共伸義憤。”吳佩孚還在第二天的通電裏指斥段祺瑞是漢奸，並將之與張宗昌、石敬瑭、吳三桂相提並論。
張作霖在曹錕、吳佩孚公開發表反皖通電後幾天，就悄然來到軍糧城，一麵仍保持局外中立的假象，一麵在天津北倉一帶悄悄地布置人馬，等到一切準備就緒，張作霖發表派兵入關的通電。
一場直皖戰爭由此開始。
皖係出局
直皖兩軍的戰區都是分東西兩路。東路在京奉鐵路沿線；西路在京漢鐵路沿線。西路是雙方交戰的主戰場，直軍在高碑店一側，皖軍在固安、涿州一帶。1920年7月13日，直皖兩軍第一次小規模戰鬥開始，雙方在高碑店有小衝突，總體來說，皖係還是占了一點上風。
但很快戰況就發生變化，吳佩孚率部與邊防軍第一師大戰於涿州，皖軍派出的右側支隊被直係部隊襲擊而發生混亂，逐步向後撤退，使部隊的態勢更加不利，致使京漢鐵路作戰部隊的右側背受到很大的威脅，皖係第二路軍總司令曲同豐被困在了涿州城內。
吳佩孚沒有直接攻擊，而是寫了一封信帶給城內的曲同豐，勸說他投降。這封信隻有寥寥數字，卻抵得上千軍萬馬。因為曲同豐在武備學堂做過吳的教習，雙方還是有師生之誼的。曲同豐認為自己曾經是吳佩孚的老師，不至於受到加害，而且他的上級曹錕和曲同豐也是老熟人。
曲同豐是段祺瑞非常欣賞也著力提拔的幹將，在他身上段祺瑞寄予了很大的希望。沒想到，曲同豐居然完全沒有與涿州共存亡的意思，相反還對前來勸降的人表示他自願投降，而且還要一個像模像樣的“受降儀式”。曹錕也樂得做個順水人情，於是一場隆重的受降儀式在曹錕的大帥府舉行，曹錕身著戎裝在大廳站立，曲同豐連同被俘的其他軍官一起踏著正步走入大廳。
曲同豐從腰間解下軍刀，雙手獻上，並朗讀事先擬好的投降文書，向曹錕發誓從此不與他為敵。曹錕接過刀後，表示接受了他的投降，然後又將它發還曲同豐，請他繼續佩戴。儀式完成後，兩人坐在一起聊天拉家常，氣氛非常輕鬆，完全不像是受降，倒像是老友久別重逢。就這樣，段祺瑞的三路大軍中的第二路軍土崩瓦解。
戰前，段祺瑞將很大一部分兵力已經交給了曲同豐，現在他的臨陣倒戈，幾乎直接決定了段祺瑞的失敗。
那麼，榮任第一陸軍總司令的段芝貴情況又如何呢？這位老兄不說他還好，一說他簡直就是氣不打一處來。“定國軍”總司令段芝貴搞到一列火車，在車上狎妓、打牌，他指揮西路戰事，基本是每戰必敗。他也無所謂，他的專列兩頭都掛上火車頭，勝就向前開，敗就向後開。當他正在麻將桌上揮汗如雨的時候，西路皖軍戰敗的消息傳來，他就急忙大叫開車，一路狂奔逃回北京的家中。就連家人問起情況，他也隻是用手摸著頭，連連說： “好險，好險！”就沒別的話了，然後馬上叫師爺起草通電辭職的稿子。
搞笑的是，這位師爺似乎早就料到有這麼一天，在給段芝貴起草定國軍總司令就職宣言的同時，就寫好了辭職通電，現在正好派上用場，把段芝貴羞得恨不能找個地洞鑽進去，但也隻有用了。然而，他這篇文章發表出去，就叫人看出是早有準備，加之他逃得實在快，被人們好好嘲笑了一通。在這個百無一用的總司令率領下，皖係第一路軍全部潰散，不是逃跑就是投降。
東路軍總指揮徐樹錚獲知西路戰敗消息，知道大勢去矣，深夜逃回北京，直係軍大隊開到長辛店，將四圍潰敗段軍一律掃清。至此，京津線、京漢線皖軍全被清除。