前面曾經敘述過奉張的打算，具體說來，是——
主體：結合奉系、皖系和在廣東的孫中山，所謂孫、段、張三角聯盟。
輔體：嗾使張勳收拾他的舊部重整旗鼓。
用兵計劃：由奉軍佔據京漢、津浦兩路的北段，令張勳沿津浦路南下，與其在安徽的舊部結合，進而循隴海線偷襲河南。聯絡浙江以對付江蘇。同時等待孫中山的北伐軍出動，以牽制湘贛。在西北方面則運動失意的陳樹藩進攻陝西。長江方面則利用四川一部分軍人下長江進取武漢。使吳光新和張宗昌在山東呼應。河南的趙倜亦暗中和奉系通款曲。
然而天下事不如人意者十常八九，奉張的如意算盤在直奉戰爭的前夕，竟一一落空：
第一、段琪瑞雖與奉方交歡，但不肯出全力為奉系支援，且態度突趨消極，皖系大將除了張敬堯、張宗昌、吳光新躍躍欲試而外，其他的都在天津不作活動。
第二、張勳雖然想東山再起，可是他的舊部久已星散，或則離心離德。皖督張文生表示中立，且與江蘇共商保境安民。
第三、孫中山的北伐軍受扼於陳炯明，因此李烈鈞入贛之師延期出發。
第四、豫督趙倜與奉系暗通款曲，但因事機不密，故吳佩孚得以先發制人，抽調湘鄂軍隊兼程入豫，以神速的舉動解決了心腹之患。奉軍雖已入關，卻來不及援趙。
至於直系，由於曹氏弟兄自始不願與奉系兵戎相見，所以吳佩孚有孤掌難鳴之苦，到了4月11日直繫在保定召開會議，一致主張抗張拒奉，曹錕且將其主和的兄弟曹-撤去師長職務，並將直系全軍大權交給吳佩孚指揮，而曾經銜命三度出關擔任調人的王承斌也率其部下勁旅參加直軍，擔任西路司令。保定曹氏洛陽吳氏重新團結，力量大增，情勢突變。同時由於孫中山的北伐軍未能出動，吳佩孚遂得將駐湘的直軍北調參戰。對河南趙倜的反叛能及時制止，並將陝西方面縮小防線，使兵力能集中運用。
奉系開始時極端強硬，佈置亦極周妥，可是在醞釀過程中發生了很多變化，因此態度亦漸轉緩和，希望用時間來調整其不利形勢。直系開始時雖處於不利情勢下，可是慢慢地轉向有利，因此士氣激昂，利於速戰，吳佩孚把握著握這種有利形勢，壓迫奉軍立即作戰，以期達到速戰速決。
直奉戰爭，東路在津浦線，西路在沿京漢線及其以東地區進行。
4月29日張作霖到軍糧城自任鎮威軍總司令，以孫烈臣為副司令，即日下了奉軍的總攻擊令。奉軍的東路總司令張作相駐落岱，所屬有張作相自兼師長的第二十七師及騎兵集團司令許蘭洲、張作霖的衛隊旅旅長張學良等部，開戰前這路奉軍縮短防線撤回到馬廠以北。西路總司令張景惠駐長辛店，所屬有張景惠自兼師長的奉軍第一師及第十六師師長鄒芬、第五混成旅旅長齊佔九等部。奉軍全部約12．5萬人。
直軍由吳佩孚任總司令，設總司令部於涿州，西路是吳佩孚的第三師在琉璃河、王承斌的第二十三師在固安，東路是張國溶的第二十六師，以及後來加入張福來的第二十四師均在馬廠。直軍全部約10萬人，人數雖遜於奉軍，可是都是久經戰陣之兵。
在這次戰爭中，有利於直軍的行動如：
（一）海軍總司令蔣拯通電助直。海軍第二艦隊司令杜錫-通告外交團，聲明討奉。薩鎮冰率艦北上，海籌、海容兩艦駛秦皇島，江利、江元、楚同、楚謙四艦駛大沽口，威脅奉軍後方。都是壯直軍士氣和聲威，而寒奉軍之膽。
（二）張宗昌奉張作霖密令，率領一部分奉軍，由海道繞至青島，擬假道直趨山東，這項行動被魯督田中玉所察覺。一方面準備迎擊，同時發出通電，請外交部向日本交涉，飭令日本青島防守司令官禁止奉軍登岸，因此奉軍突擊山東的計劃遂化為泡影。
（三）蘇浙兩省宣佈保境安民，奉系計劃以浙軍擾蘇的計劃亦告落空。
（四）豫督趙倜和他的兄弟趙傑曾有反直反吳打算，可是由於直軍的及時控制，使趙氏兄弟的打算煙消雲散。
（五）奉軍來自關外，與平津人民生活習慣都不相符，因此軍民之間頗不協調。
從4月29日到5月3日，直奉雙方都捏造戰報吹噓自己勝利。張作霖且儼然以戰勝者自居，每天都有告捷電報發表。直軍則隨心所欲地發佈號外，說北京政府已將張作霖免職，且派張錫鑾為東三省巡閱使，馮德麟為奉天省督軍。
4月29日前，直奉兩軍前線已有零星接觸，槍炮聲斷斷續續，29日雙方正式開火，在北京可以聽到長辛店傳來的隆隆炮聲，不少外國人懷著好奇的心情，冒著生命危險前往戰地觀戰。
整個戰爭，在長辛店、固安和馬廠展開，而最激烈的炮火則在長辛店和琉璃河之間，兩軍屢進屢退，傷亡無算，奉軍集中炮火向直軍陣地猛轟，吳佩孚則嚴令長辛店方面直軍前敵指揮董政國堅守陣地以疲奉軍。
奉軍猛攻，直軍堅守，這樣相持了一天一夜，至30日，吳佩孚下令改守為攻，奉軍亦集中火力堅守陣地。
5月3日奉軍大炮嚴重威脅直軍陣地，奉軍東路統帥張景惠忘卻了張作霖半攻半守的命令，向直軍陣地前進。這天晚上，吳佩孚探知奉軍炮火消耗不少，乃以大隊直軍猛攻正面，另派精兵數千繞道前進，借田間伏兵引至奉軍後方。4日直軍徑撲盧溝橋，奉軍腹背受敵，炮彈也告用罄，同時直軍張錫元旅由陝西潼關趕來增援，兼程疾運，抵達良鄉宿營。最緊張的時刻吳佩孚親率衛隊在前方堵截，因前方炮火劇烈，有許多直軍抵抗不住，往後潰退，吳在戰地上予以制止。
5月5日直軍增援的張錫元旅加入戰鬥，直衝到豐台，奉軍張景惠倉促由豐台退出，於是長辛店遂落入直軍手中。張景惠先退到盧溝橋，直軍進逼至奉軍東路司令部所在地落岱。中路固安方面奉軍獲悉長辛店失守，西路奉軍潰敗，軍心大亂，也相繼潰退，紛向天津逃竄。
東路奉軍頗有小勝，不幸張學良受傷，迨聽到西路戰事失利，也開始潰退。李景林率部退保良王莊、獨流，再退山海關。
奉軍各路俱敗，張作霖5月4日還趕到落岱，企圖挽救頹勢，但大勢已去，他才匆忙地回到天津下總退卻令。第二天即退至灤州，以開平為第一道防線，令李景林扼守，古冶為第二道防線，令張作相防守，灤州為第三道防線，張作霖自己坐鎮，昌樂為第四道防線，令孫烈臣扼守。
直軍也調整戰線，集中兵力，以胥吾莊為第一道防線，由彭壽莘擔任，蘆台為第二道防線，令穆旅擔任，軍糧城為第三道防線，由王承斌擔任。
長辛店直軍大捷，決定了戰場的勝利。而長辛店奉軍之敗，在於奉軍第十六師停止戰鬥，十六師原系馮國璋的舊部，本屬直系，師長王廷禎被奉系趕走，改派鄒芬繼任，奉系把該師擺在前線攻打直軍，正和兩年前皖直戰爭時，皖系把原屬直系的第十五師擺在前線充當先鋒一樣，他們都是遇有機會就要倒戈。
奉軍戰敗後，徐世昌於5月5日下令飭奉軍退出關外，令云：
「前以直隸、奉天等處軍隊移調近畿一帶，迭經令飭分別撤退，乃延不遵行，竟至激成戰鬥。近數日來，槍炮之聲不間晝夜，難民傷兵，絡繹於道，閭閻震驚，生靈塗炭，兵凶戰危，言之痛心。特再申令，著即嚴飭所部，停止攻擊。奉天軍隊即日撤出關外，直隸各軍亦應退回原駐各地點，均候中央命令解決，務各凜遵！此令。」
另有一道命令是查辦罪魁的，令云：
「此次近畿發生戰事，殘害生靈，折傷將士，皆由於葉恭綽、梁士詒、張弧等構煽醞釀而成，實屬罪無可逭。葉恭綽、梁士詒、張弧均著即行褫職，並褫奪勳位、勳章，逮交法庭，依法訊辦！此令。」
查辦令未下將下時，梁士詒的左右勸梁通電聲辯，梁說：「洪憲之役我也是罪魁禍首，替人受過，今天又何異於前。張江陵答吳堯山說：二十年前曾有一弘願，願以身為蓐薦，使人寢處其上，溲溺垢之，吾無間焉，有欲割取吾耳鼻者，吾亦歡喜施與。我雖然不敢自比江陵，但亦心響往之。查辦令下，正好放舟海上，回家侍奉老父。」
4日晚有一通長途電話從北京打到天津梁士詒的寓邸，請梁親聽，打電話的不是別人，正是代理國務總理周自齊。周說：褫職令將下，自己代理總理，應該副署，可是深感對不住數十年的老朋友，所以先行奉告，請求諒解。同時勸梁即日離津，怕未來局勢變化無法控制。梁答：「謝謝子-（周自齊）兄，並請代我轉謝東海（指徐世昌）。多承關愛，永銘五內。我們兩人相交數十年，親若手足，將來歷史上記載說周自齊副署查緝梁士詒，也是政治史的一段趣話呢！」
葉恭綽褫職後，由高凌-代理交通總長。
7日梁士詒偕葉恭綽、劉展超、鄭文軒、王季子、黃質中、李達牧等離天津赴日本。卜居長崎。
吳佩孚擊敗奉張後，威名大震，蔣方震曾稱道吳是中國武將中最傑出之將才。吳在洛陽練兵時，曾將岳武穆的滿江紅詞修改為軍歌，慷慨激昂。
直軍告捷後，吳佩孚赴軍糧城視察（軍糧城是奉張大本營所在地）。5月7日由軍糧城回到天津。這時他的聲望之高，到了頂點，中外旅津人士都紛紛要求晉謁這位秀才出身的吳大帥。吳佩孚接見這些人士時，高談闊論，昂然自得，聽者擊節讚賞，五體投地。趨炎附勢之徒，頗以能見吳將軍為榮，或者則奔走歡告說吳將軍厚我！
吳佩孚在天津也曾和許多北洋元老見面，曾做過東三省總督的趙爾巽勸吳勿為己甚，適可而止。吳冷冷地瞟了趙爾巽一眼，傲然說：「從前提拔張作霖的，就是您，胡匪禍國家，追源溯始，您也該負責任，還要替他說情嗎？」氣得趙爾巽臉都青了。
吳一再催促北京政府下令懲辦張作霖，同時自願辭去兩湖巡閱使，因此外間有廢除巡閱使制度的傳言。
5月10日北京政府下令裁撤東三省巡閱使，張作霖免去本兼各職，聽候查辦。
5月11日北京政府再令裁撤蒙疆經略使，並根據直系意見，調吳俊升為奉天督軍，任命馮德麟為黑龍江督軍。
同一天，東三省議會聯合會和瀋陽各團體通電不接受北京政府罷免張作霖的「亂命」。第二天（5月12日）張作霖在灤州宣佈獨立，改稱奉軍總司令，並發表對外宣言：
「……對於友邦人民生命財產力加保護，所有前清及民國時期所訂各項條約，一概承認，此後如有交涉事件，請逕行照會灤州本總司令行轅。自本月一日起，所有北京政府訂立關於東三省、內外蒙、熱河、察哈爾之條約，未得本總司令允許者，概不承認。」
由於張作霖獨立，所以北京外交部亦照會各國公使：「今後東三省一切事務，非經中央政府核准，概作無效。」
奉軍戰敗後，日本外相內田發表了對東三省局勢嚴守中立的宣言。《朝日新聞》公開著論反對「拘守中立」。主張進一步作適當的處置。內田宣言本來是外交煙幕，實際上日本的野心分子都主張支持張作霖獨立，因為他們不歡喜吳佩孚，吳曾攻擊親日派。東京曾有「張作霖後援會」的組織。
其實，日本的野心家把張作霖也看錯了，以為可以收買張作霖，實際上奉張的長處就是他有獨立人格和意志，絕不肯做賣國行為。日本人想乘奉張戰敗自保之際，予以支援，藉以換取對東三省有利的代價，日本人實際上是錯了，因為奉張雖然戰敗，但卻還有餘力自保東三省。
6月4日張作霖自稱為東三省自治保安總司令，再一次發表了「閉關自治」的宣言，並派孫烈臣為前敵總司令，楊宇霆為參謀長。楊宇霆字鄰葛，是奉天法庫縣人，日本士官學校的畢業生。
奉軍在秦皇島附近陳莊、牛莊一帶曾與直軍前敵司令，暫編第一師師長彭壽莘、副司令、第十五混成旅孫岳兩部接觸。孫岳是曹錕的養子，清末由第三鎮炮兵排長一步步提升為管帶，因參加灤州起義，幾乎被殺，是曹錕暗中通知他逃走的。
直皖戰爭時是直軍的團長，現在則升到旅長了。
從6月8日直奉兩軍戰至13日，奉軍一度獲得勝利，瀋陽且曾舉行祝捷大會，大肆宣傳，可是直軍也在九門口轉敗為勝。13日瀋陽各國領事聯合向奉張提出警告，認為榆關戰事影響國際列車的安全，張作霖不得已乃接受了英國教士揚古、美國教士普來德為中間人的停戰建議。
6月18日直軍全權代表王承斌、彭壽莘，奉軍全權代表孫烈臣、張學良，在秦皇島海面英國克爾富號軍艦上簽訂了停戰條約，以榆關為兩軍界線，19日起奉軍撤出關外，直軍除酌留一部駐防榆關外，大部都撤回原防。關於張作霖的地位問題，北京政府拒絕撤銷5月10日的處分命令，東三省省議會仍請張擔任東三省保安總司令，並加推孫烈臣、吳俊升為副司令，對北京政府仍然保持獨立的姿態。
直奉之戰，奉系失敗的原因主要是：
（一）張作霖看不起吳佩孚。張作霖雖然比吳佩孚小四歲，可是在北洋系統上，卻比吳的地位高多了，張在袁世凱時代就嶄露頭角，獲袁的攏絡垂青，地位僅次於北洋三傑（王士珍、段祺瑞、馮國璋）。與曹錕可以分庭抗禮，吳佩孚一直是曹錕下面一員戰將，直到衡陽撤兵時才被國人所知。
（二）奉張採取聯曹制吳的策略，然而直系究竟是直系，正如曹錕所說，親戚雖親不如部下親，曹錕如不跟著吳佩孚走，自己就失去了憑借。張作霖既已取到東北和西北，又要把持長江一帶地盤，還要控制北京政府財政，這是使曹除了一面倒向吳佩孚外，無他路可以選擇。
（三）奉張在和戰之間搖擺不定，又希望廣東方面北伐，皖系呼應，自己坐享其成。洛吳則視這一戰為生死存亡之爭，竭其全力以赴。奉軍主力集中東線，而將不可靠的第十六師置於西線前方，蹈了直皖戰時，段祺瑞利用非嫡系軍隊打頭陣，結果也招致陣前起義的覆轍，致使全線受到牽動。
（四）吳佩孚背城一戰，只能勝不能敗，張作霖敗了可以退回關外，所以缺乏必勝的決心。