郭松齡回師關外，開始時張作霖措手不及，因此敗訊頻傳。可是郭部並未能制敵機先，以迅雷不及掩耳手段一舉攻入瀋陽，遂使張老將有從容部署的時間。
11月30日吳俊升由黑龍江調派步兵兩旅、騎兵四團、炮兵一團馳援奉天，由於中東路當局拒絕運兵，因此吳部乃由洮齊鐵路出四平街，開赴戰線。闞朝璽奉張作霖令帶兵退錦州，參加攻郭；同時邢士廉二萬人由海口運抵營口，即由海道運赴連山灣，攻郭軍的側背。
12月3日郭軍占興城，分向連山、錦西進攻，郭軍有一旅歸降奉軍。錦西守軍汲金純部抵抗郭軍，戰況激烈，張學良總司令部由連山移錦州，奉軍一方面在連山、錦西前線冒雪作戰，同時在後方錦州及大凌河間築壕，作為第二線防禦陣地。4日萬福麟的騎兵旅由錦州脅迫郭軍之背，因此進攻連山的郭軍乃向後退。
奉軍左翼，配置在連山附近者為汲金純軍，中央為張作相、萬福麟軍，右翼配置在錦西方面為張九卿之騎兵旅。5日未明時郭軍作總攻擊，逼近連山正面之精兵兩大隊，詐降奉軍，乘奉軍將其輸送向後之際，突然包圍汲金純軍之一團，將其繳械，且從背後擾亂奉軍之左翼。張學良聞變，立推出總預備隊，下令全線，轉為逆襲。但因從中央亙左翼之奉軍連絡不充分，後又遭魏益三所率之郭軍炮隊之猛擊，各軍轉成總崩潰之勢，紛紛乘火車退卻。至大凌河，將鐵路橋樑毀壞。當天郭軍進佔錦州。繼而奉軍復退，溝幫子亦為郭軍佔領。郭於8日晚親抵錦州，張作相以戰事失敗，6日回奉天，外間傳說張作相勸老將潔身引退，於是張下野說，一時風傳。且有奉天日本總領事內山代攜和平條件赴新民屯議和之說，但未兩日即煙消雲散。因12月8日奉天軍官會議，決定重整旗鼓，作最後之決戰。前線軍力集中運用仍可反敗為勝，統計總兵力為張作相軍二萬八千、汲金純軍八千、湯玉麟軍四千、總預備隊張學良一萬，總數共計五萬，有野炮百尊。至作戰方略，系固守遼河，以待李景林與國民軍間勝負之分曉，並在遼河左岸，築長約一英里之堅固壟壕，後方另築一鐵路，其後接連京奉鐵路，而在該路上配置裝甲火車及貨車。這時遼河已經結冰，人馬可以往來無礙。張學良置司令部於火車中。
15日郭軍攻陷新民屯，張學良退守遼河。
郭松齡雖掌握了奉軍的精銳部隊，可是出關後並不如他預料那麼順利。
第一：李景林變了。馮玉祥和李景林的軍隊在直隸打得不可開交；郭無法依靠馮軍的支援，更要分出一部分兵力（魏益三的部隊編為第五軍）留在後方，防阻李景林。第二：天氣嚴寒，北國冰封，郭軍倉促出關，冬天的裝備不夠，只能躲在火車中，順著鐵路向前推進。第三：照理乘火車向前推進一定很快，其實不然，因為奉張方面已把路軌破壞，幸而郭軍中工兵團完整，所以路上邊修邊進。這還不打緊，張少帥接受他的英國顧問的建議，把鐵路沿線的水漕破壞，火車頭沒有水等於沒有煤，動彈不得，雇民夫挑水，費的時間就大了。第四：郭松齡抬著張學良的旗號反張作霖，可是正面阻擋郭軍的，正是張學良，郭的部下知道少帥在前面，戰意和士氣大為減低，很多將領都暗中向少師通款曲。第五：吉林和黑龍江的騎兵及時來援，是郭軍致命的打擊。
當12月下旬，郭軍已經推進到遼河，雙方就在遼河兩岸對壘，郭軍指揮部設在新民屯，張學良的指揮部則設在興隆店，遼河距離瀋陽只有十里，兩軍互轟的炮聲，瀋陽清晰可聞。
少帥的兵還是少得可憐，連官長都抬了機關鎗上前線，但因為有遼河橫亙，可以阻擋郭軍。當時天寒地凍，遼河每夜結冰，軍隊可以履冰而過，所以少帥方面每天晚上都由士兵在岸邊用鐵鏟穿冰，瀋陽城內家家的鐵鏟都被徵用，穿冰是為了使它不能凝結，郭軍遂不能履冰而過遼河。
少帥在興隆店經常和郭軍的將領通電話，有的電話透過日本軍用電話線，郭軍中重要將領幾乎個個都和少帥通過話。
奉軍內變之初，日政府恐戰事延及滿蒙，影響日本利益，所以陸軍當局派白川關東司令官急赴奉天，與張作霖協商，擬照去年奉直戰爭成例，滿鐵沿線及其它地區絕對不許作戰。當時日本在東北的兵力共有八營，擬加派一團，警備長春以南。並派驅逐艦「相」號赴秦皇島。11月26日，命駐鐵嶺之旅團，預備開拔赴奉，因此盛傳日本擬向東北增兵。
不過日本輿論界則認為並無必要，因為現在東北的日軍兵力已夠保護日僑生命財產，如有必要，再行增加。11月27日徐樹錚在日本曾往訪日本幣原外長，交換意見，要求日方對於段執政作特別之援助。幣原答覆全是外交官腔，他說：「為增進中國民眾幸福起見，自當援助，但以不干涉內政為前提。」第二天徐又訪加籐首相，所答大致相同。28日，日本閣議決定奉天戰爭非至日僑生命財產有危機，決不增兵。12月1日又開閣議，討論中國內亂政策，認為滿蒙日僑生命財產之保護，可由駐滿警備軍一部分擔任，無需再由日本派兵。
郭松齡方面最擔心日方幫助張作霖，所以一再要求日方嚴守中立。並派殷汝耕赴大連，與日人接洽疏通。12月4日日本閣議對於郭、馮之要求中立，暫守靜默。陸相宇垣對人發表意見，謂奉張之盛衰，不是重要問題，日本僑民之生命、財產既得權，不能不保護。
郭軍在冰天雪地中陷於苦戰，而李景林的拒郭，使得郭軍走上孤軍無退路的境地，因此從12月下旬起，郭軍的戰意為之瓦解，士氣極為低落。
郭松齡感覺到將會面臨失敗的命運，他於12月22日在新民屯一個糧站召開軍事會議，與會的高級將領都顯露了疲睏之色，郭向他們宣佈，自己準備親上前線督戰，可是與會將領都低首不語，簡直等於是拒絕郭的提議。郭見到這個情況，知道大勢已去，長歎一聲，宣佈散會。這時已是午夜12時。
郭在散會後即佈置自己逃走，23日晨2時郭夫婦乘車離開新民，他的運氣不佳，走到遼中縣老大房村（距離新民40餘里），遇到奉軍王永清部的騎兵突襲，郭的衛隊都是些小孩，經不起騎兵的衝鋒，和郭同行的林長民被流彈打死，郭夫婦下車步行，奉軍搜查，發現郭身上有他自己的名片，於是郭夫婦雙雙被俘。
轟動一時的郭松齡倒戈事件遂告結束。
郭松齡夫婦被俘後，軍中即向瀋陽張作霖處請示如何處置，瀋陽方面獲得這項消息後，張作霖說：「把他押來，我倒要問問他為什麼要造反？」據說楊宇霆主張就地槍決，免生後患。楊和郭是死對頭，楊怕郭見到了老將說出許多不中聽的話，所以極力主張就地槍決。
郭被俘後，還寫了一封信給張學良，請張看顧他的老母。
張學良在23日即渡遼河，進入新民屯，召見郭軍的各高級將領，撫慰傷亡，由於郭軍全是張的部下，張到了郭軍中，就像回到自己家中一樣，郭軍見到少帥，亦歡聲雷動，欣見故主。
瀋陽方面對於處置郭軍，有人主張從嚴，為首的一律應予處決，張老將徵求張作相的意見，張作相不以為然：他說：「郭鬼子鬧出這麼大的亂子，也是有原因的，我們不能不先自己反省一下，自己也有錯處。現在郭鬼子已經處決了，其他的人就不必多所羅織，如果一開殺戒，都是東北子弟，我們要結多少冤家？善後工作交給小牛子，讓他從寬辦理吧！」張作霖對他的把兄弟意見全部接受，因此郭松齡倒戈事件，只死了他夫婦二人。
張學良這年只25歲，就經歷了這樣一次天翻地覆的事件。他有他過人的長處，但這些長處後來被遮蓋了。
張學良知人善任，能放手交付給他所信賴的人，因此他能得軍心，也受部下愛戴。據說他父親在申斥部下時，他常躲在鄰室偷聽，然後親切慰問那些被申斥的人。他延用的部下，對他們的生活都很照顧，給的生活費都很寬裕。他重用和信賴郭松齡，郭松齡可以用他的印章發號司令。郭常對部下苛責或不原諒，張對郭說：「我如此信賴你，為什麼你不能像我信任你那樣信任你的部下？」
正因為他太信任郭，才讓郭鬧出了這個大亂子，可是也正因為他在軍中有良好的聲望，使他得以戡平郭亂——因為郭的部下一聽少帥來討伐，誰也不肯認真打仗了。
可憐的饒漢祥，在郭松齡逃走後，即由齊世英派了一名勤務兵護送出逃，不料在路上被奉軍捉到，查問饒是何人？他回答：「是寫字的。」勤務代答說是師爺，由於饒骨瘦如柴，一身骯髒，毫無驚人之處，所以奉軍也認為是一個普通師爺，就叫他倆隨軍做點抄寫工作，這樣過了半月，才逃回關內。
郭松齡兵變的直接後果，是使奉軍元氣大傷，也使張作霖對奉軍內部的改革停頓。奉軍的沒落，便敲響了北洋時代的喪鐘。