北方群雄中，閻錫山處境較為自由，他雖然局面小，卻可以閉關自守，待時而動，事實上他這時期成為各方所爭取和拉攏的對象。奉張拉他，南方的革命軍也暗中和他連絡，尤其是西北方面的馮玉祥也和他敷衍。閻錫山從辛亥革命後就穩坐太原，只求保住山西。他不是沒有野心，不過很能含蓄，守份待時。奉軍入豫逐吳時，他邀請吳佩孚率領精兵到山西避難，吳佩孚不是寄人籬下的人，他曾經寄食自己部下，結果都不可靠，今天反而去投奔晉閻，以吳佩孚的倔強個性，當然不予考慮。
閻錫山和馮玉祥之間本有惡感，因馮得意期間，曾進攻山西，可是馮已參加了革命，閻如果要和革命潮流結合，就不能不敷衍馮。16年3月24日，閻、馮、靳雲鶚設聯合辦公處於趙村鎮，不過這只是閻的一種手段，因閻暗中和奉張仍時相往還。
閻錫山是一個微妙的人物，在革命黨中他是參加開國的人物之一，民國元年就坐上山西都督的寶座，他和這把寶座好像如膠似漆，坐了上去就分不開。北方在民國初年是北洋軍閥的天下，他亦附和北洋軍閥，亦步亦趨。不管是革命黨人，或是北洋軍閥，閻老西堅守一個原則，他就是山西，他和山西是不可分的。在北方，皖系也好，直系也好，奉系也好，他表面上都和他們虛與委蛇，可是都不賣身投靠，因此北方派系此起彼落，對他都毫不發生影響。
國民革命軍北伐後，閻錫山成為僅次於張作霖、吳佩孚、孫傳芳之下的第四把交椅，可是他並不跟北方軍閥走，16年初他便和南方革命軍暗通聲氣。
早在16年6月3日，山西即改懸青天白日滿地紅國旗，閻錫山同時把所屬12萬晉軍改編為北方國民革命軍，由大同、娘子關兩路移動，不過閻對張作霖仍維持良好的關系，他有代表常駐北京，張作霖也有代表駐太原。5日閻錫山電張作霖聲明，晉軍出動系因奉軍北退，擔心臨時不易布防。僅駐東天門，現已停駐井陘，不再前進。當天太原開國民大會，擁閻擔任國民革命軍北方總司令。第二天閻就任總司令職，通電服從三民主義。6月28日張作霖派邢士廉赴太原與閻商議解決時局的辦法，奉軍在京綏路增加兵力兩旅，防阻商震。邢士廉勸閻和奉張合作的任務未完成，閻駐北京之代表李慶芳則向張提取消大元帥府的主張，張、閻之間藕斷而絲未連。
7月17日晉軍占領石家莊，奉軍退走正定，晉軍向南推展至順德。19日晉軍徐永昌部進駐石家莊，奉軍在正定、定州、保定布置三道防線。22日張作霖向山西代表提出晉軍撤出石家莊的強硬要求，在保定、德州之奉軍准備進攻河南馮玉祥軍隊。25日張作霖和張宗昌分別派遣代表赴太原向閻錫山提議，請撤走石家莊駐軍以便奉魯軍南下進攻馮玉祥軍，閻置之不理。
張作霖始終不願對閻采取強硬態度，也不打算把閻逼上梁山，直到9月初才決定對晉用兵。
奉、晉戰爭的爆發，是由奉軍檢閱使於珍被晉軍商震部隊扣留而引起的，這是16年9月27日的事。這天由張家口開往包頭的第一次客車過永嘉堡車站，鐵軌忽被晉軍拆毀，在這列客車中，掛有奉方大員於珍和趙倜等專車，他們是前往綏遠檢閱軍隊的，在陽高車站被晉車截留，解送大同。
張家口是奉軍防區，當第一次客車失去消息後，張家口車站即不斷向大同車站查詢第一次客車到達何處，及由包頭開往張家口的第四次客車何時到達？大同車站均無答復。奉軍第九軍司令部聞訊亦向陽高車站電詢一切，亦無音信。奉軍於是感覺到出了麻煩，當天下午晉軍發動攻奉的消息遂傳遍張家口。
奉軍第九軍長高維岳獲知晉軍對奉軍攻擊，以事出倉卒，乃急調軍隊開往前方阻御，而晉軍已將柴溝堡實行占領。
閻錫山致電南京國民政府，宣布誓師討奉。同時把晉軍編為三個軍團，共轄12個軍，17個師，12個騎兵師，7個獨立旅，共擁眾20余萬人。其編制如下：
北方革命軍總司令閻錫山
第一軍團總指揮商震
第二軍團總指揮徐永昌
第三軍團總指揮楊愛源
第一軍軍長商震（兼）
第二軍軍長楊愛源（兼）
第三軍軍長楊效歐（代）
第四軍軍長傅存懷（後升編為第四軍團總指揮）
第五軍軍長李生達（代）
第六軍軍長豐玉璽
第七軍軍長張蔭梧
第八軍軍長譚慶林（即騎兵軍）
第九軍亦為騎兵軍在編制中
第十軍軍長李維新
第十一軍軍長王懋公
第十二軍軍長徐永昌（兼）
直轄炮兵集團長周岱
直轄騎兵集團在編制中
直轄第四師師長傅作義
晉北鎮守使趙戴文
晉南鎮守使張培梅
晉軍的編制微近奉軍，其軍隊組織和調動都非常秘密，閻錫山的統御術自有一套，保密防諜工作都做得很好，所以他能保持山西一省的完整。
晉軍攻占柴溝堡時，張學良、張作相正在京漢線檢閱軍隊，接到報告即於9月29日先後返北京。張作霖亦立即電召楊宇霆、韓麟春、張宗昌等入京會商。奉方在9月中旬本擬派與閻較接近之葛光庭赴晉接洽，晉軍發動後，葛不果行，遂在京與尹扶一等聯名電閻，促請避免奉、晉戰爭，閻復艷電，尚存模糊之語氣雲：
“尹仲雅（即扶一）兄鑒：接儉電後，即復艷一電：計已達到，關於誤阻奉方官兵前進一事，已嚴責大同駐軍切查。頃據復稱，此次誤會非出我方之自動，除另令阻止外，特聞。山。艷二。”
尹等接電後隨即擬復電雲：
“艷一電未收到，艷二電敬悉一是。頃謁張雨帥喬梓，亦稱奉晉歷共患難，萬不能因一時之誤會致生破綻。愛國愛民之忱，溢於言表，殊為可感。於司令此次檢閱軍隊，實系預定計劃，並有冊籍可查。北方大局安危，系於奉晉兩方，無端破壞，我帥諒不忍為。尚望轉令前方，慎重動作，靜候調處，並希速復。尹扶一、葛光庭叩陷。”
此電未能發出，因京晉間電訊已告中斷。晉綏駐北京代表南桂馨、薄永濟、李慶芳、潘蓮如、張漢章等皆於27、28兩日秘密出京。
自國民革命軍北伐迭傳勝利後，北方問題奉晉能否合作關鍵極為重要，奉晉之間雖有信使長川往來，但閻錫山對奉終存畏懼，奉張對晉閻亦有懷疑。當晉方獲悉奉軍大員張作相、張學良、於珍、趙倜等分路檢閱軍隊，即認為有圖晉之意，加上晉方所買軍用品在天津被扣，京綏路款停止發付，奉方且亟亟索還石家莊，這些是晉方發動軍事行動的近因。至於遠因則當7月中旬，國民政府曾下令命馮玉祥攻山東，閻錫山攻河北，閻、馮奉命並沒有行動，因為他們各有不能作戰之原因。如馮玉祥對靳雲鶚不能控制，又還未予以解決，倘馮有所動作，靳在其後發動，馮豈不是進退失據，而馮和唐生智關系也不好，馮既然自身立足未穩，焉有余力向外。而閻、馮之間隔閡頗深，閻對馮完全沒有信心，既怕他，又厭他，認為馮在河南不肯出擊山東是有意取巧。而馮玉祥也認為閻錫山取巧，向來坐收漁人之利，並且對奉軍沒有作戰的決心，當奉軍由河南退河北時，正是晉軍截擊奉軍的大好時機，在那個時候閻都不肯干，則是證明閻完全沒有對奉作戰的決心。雙方相互狐疑。迨至7月末，奉、晉妥協的傳說頗盛，時馮的代表亦長駐太原，某日馮的代表到了大同商震防區，適逢商震在檢閱軍隊，馮的代表亦獲機參加，商震閱軍時曾問士兵：“你們服從何人？”答：“商總指揮。”商再問：“除了我還服從誰？”答：“閻總司令。”商再問：“你們是什麼軍隊？”答：“國民政府之軍隊。”商又問：“你們的敵人為誰？”答：“張作霖。”馮的代表親眼見，親耳聽，大為滿意，以此報告馮，馮對閻的疑慮於是大為減少，閻、馮之間隔閡為之消除不少。雙方陸續互派要員說明各自困難，因此增加不少諒解，馮支持閻攻奉，而閻亦因有馮助才敢攻奉。
閻錫山參加國民革命，誓師討奉的電文，是由山西駐南京代表劉樸誠於16年9月30日出席南京特委會報告山西情況時宣布，所以南京、上海的報紙均於10月1日披露，電雲：
“革命本不得已之舉，是以本總司令，雖師發在途，猶不惜委曲婉轉，與張作霖周旋。原冀其有所悟悔，以期和平解決。乃半載以來，屢與開誠相商，終見固拒。近更龐然自大，盤踞北京，不謀與民合作，只求一己尊榮。且日肆以武力壓迫國人。既無悔禍之心，何有改善之望。我師旅久滯於途而士怨，車輛常留軍中而田荒，既忍無可忍，又望無可望，茲不得已，隨諸同志之後，誓師北伐，以掃除三民主義之障礙，以達救國救民之目的。今與諸將士約：行軍所至，必須不擾民。與敵相遇，必須不怕死。怕死者殺不赦，擾民者殺不赦。更與將官約：痛除地盤思想，省政由省人解決，國事由國人解決，以奠國基。尤願國人以公平內政，圖全民之協進。以改善外交，謀國際之平等。國事甚大，治理甚難，勿輕易，勿憤激，當憂深思遠，慎重將事。敬為此誓！閻錫山。艷。”
閻錫山不是一個輕舉妄動的人，如果沒有周全的部署，他是不會輕於孤注一擲的。他在7月間即暗中策劃，並且和奉方虛與委蛇。他的重心是從整頓軍隊入手，而整軍工作以健全下級軍官最為重要。因此曾在南方秘密網羅黃埔軍校的學生到山西服務，從7月到9月，黃埔同學陸續至山西的，傳聞已達兩三千人，晉軍中的排、連、營長多數都是黃埔學生。
奉方確知晉閻正式參加革命軍討奉行動後，最為痛心，據吳俊升對人發牢騷說：“奉方對於他人容有對不住之處，但對閻錫山總算仁至義盡。去年馮玉祥進攻山西，奉方不分晝夜，拚命赴援。事定之後，綏遠地盤給予山西，鐵路收入雙方分取。追擊馮玉祥敗軍時，晉方要求奉方勿過綏遠，奉軍亦即照辦。要求奉軍勿置重兵，至今平地泉僅有奉軍兩營。於珍經晉軍防地而至平地泉檢閱部隊，隨身所帶不過參謀副官，足以證明奉方對晉毫無作戰部署與准備。奉晉雙方重要人員隨時均有見面，奉方整理內部，點驗軍隊，決無對晉作戰之意，晉方代表在北京豈有不知，即有懷疑，亦不妨明白質詢。今竟事先毫不表示即將於珍等人全部扣留，實在太不夠朋友。”
吳俊升這種想法也可以說是奉方大多數人的想法，同時他們認為閻錫山自以為棄暗投明，可是在時間上的選擇則非常錯誤，因為革命軍陣營中正鬧寧漢分裂，所以南方革命軍勢力不能給閻以強有力的支持，至於馮玉祥雖已消滅了靳雲鶚，但閻、馮之間並不能水乳相融。所以這個時候奉方可以全力對付山西，如果解決了閻錫山，北方腹心肘腋之患就可以消滅，河南、陝西問題均可迎刃而解，北方統一可以告成，這是奉方的如意算盤。
16年10月2日張作霖發表討閻通電，電雲：
“（前略）閻錫山長晉有年，從前一切政變，向不參預。上年為馮逆所迫，圍攻大同，蹂躪雁、代，晉北不保，太原垂亡。閻錫山信使往還，疊電告急，搖尾乞憐之態，如在目前。本大元帥以晉省系完善之區，晉民多純樸之眾。倘被赤徒惡化，地方不堪設想，用是激勵諸軍，力攻南口，接濟械彈，救其滅亡。南口既下，大同解圍。我軍直趨綏北，轉戰數千裡，兵無宿糧，馬無積秣，甫克掃除綏境。功成之後，舉土地、俘虜、械彈、戰利品一無所取，拱手讓晉，口不言功。此上年已往之事實，對於晉省人民，對於閻錫山個人，可謂仁至義盡，足以大白於天下者也。不意閻錫山狼子野心，認賊作父。年余以來，倒行逆施，反顏事仇，與馮逆相勾結。今年春間，竟於我軍攻豫之際，出兵石家莊，意在斷我歸路，截我輜重。幸我軍見機尚早，全師而歸。當此之時，我軍若問罪興師，理無不可。本大元帥意存寬大，曲予優容，仍不忍以救晉者禍晉，非真於閻錫山之多行不義，毫無聞知也。自襲取石家莊，對於直境附近各縣搜括騷擾，無惡不作，疊經派人疏通勸告，迄無悛改。其禍晉禍國之心，路人皆見。上月二十九日，突在大同附近，截劫火車，扣留我軍官佐，並敢進兵察境，公然敵對。本大元帥維持大局，維持晉省之苦心，至此乃忍無可忍。茲已分飭諸軍，實行討伐。惟是上年驅除馮逆之後，北方大局，汔可少安。今閻錫山被人利誘，甘為戎首，是破壞北方大局者，閻錫山一人當負其責。本大元帥護國救民，始終如一。晉省軍民，皆我一體。但期阡厥渠魁，決不窮兵黷武。倘閻錫山能悔過息兵，或其部下能自拔來歸，仍當一體優容，不追既往。從前犧牲多數，尚能以綏、晉地歸諸晉軍，今雖不得已而對晉用兵，仍必顧全晉省真正民意也。特布區區，敬告有眾。大元帥。冬。印。”
張電發後，復於4日另下討伐明令，原文雲：
“迭據直隸督辦褚玉璞、察哈爾都統高維岳，先後電陳，山西督辦兼省長閻錫山，擅調軍隊，盤踞直境井陘、獲鹿、靈壽、順德等十余縣，並在石家莊遮斷京漢路交通……。本大元帥以該督辦素以保境安民為自全之策，此次種種妄舉，或系受人煽惑，並非出自本意，故迭飭各地駐軍，節節退讓。所以曲予優容者，一則保全地方，不忍使三晉人民慘遭塗炭。一則閻錫山苟有絲毫愛國之心，冀其最後省悟，仍循正軌。詎該督辦近復收編匪隊，縱容滋擾深澤、稿城、晉縣、無極等四縣、荼毒生靈。突於九月二十九日，在察境京綏線永嘉堡、西灣堡破壞鐵路，扣留客車，及中央檢閱軍隊人員。同時並在石家莊一帶，進兵侵犯各該地駐軍，施行攻擊，似此弄兵思逞，蹂躪地方，破壞和平，甘為戎首。既屬人民之公敵，亦為國法所不容，應即聽候嚴行查辦。如系被人利誘，悔過息兵，仍當寬其既往，俾圖晚蓋。倘有抗拒情事，著由各路駐軍一體痛剿，以維大局，而靖地方。其有被迫軍官，准其自首，一經查實，免予追究，仍量加任用。倘始終不悟，甘心附逆，一律重懲，決不寬貸。此令。”
10月5日，張學良、韓麟春亦有微電至閻，電雲：
“百帥勳鑒，頃得南京確報，知公與煥章定約，協以謀我，將信將疑，而貴軍扣車拆路之耗又至，沉機一發，夫復何言。所不能已者，我兩方數年合作之精神，千裡驅馮之成績，一旦毀棄無余，令人耿耿耳！民國以來，公既昌言保境，我方亦志在安民，玉帛往還，信使不絕。前歲煥章甘冒不韙，陰行詭道，煽惑友軍，公與家君同申大義於天下，是以有張綏之役。道則相同，功則相讓，奏凱雁門，酬庸綏遠，未為過也。曾幾何時，一變至此，良心迫我，如鯁在喉，故復略而言之。嘗聞大人不顧小信，霸者不恤人言。不圖今日親承高義，我公高掌遠距，非可以常格相繩。然不顧感情，當計利害，不泥小節，必為遠圖。今北方未殘之局，公悍然冒為戎首而破壞之。黎元難欺，青史尚在！天下後世視公為何如人？此學良、麟春所未解者也。三晉河山，艱難締造，十有六年。公苦心碩畫，世所傾慕。今忽徇局外之誘，興無名之師，徼非常之獲，不至糜爛其民不已，表裡山河，必無恙乎？此又學良、麟春所未解者也。夫榮辱在其所取，成敗視其所與。論者謂公交鄰之道善矣，今忽盡所為，為問北地胭脂之亂，所亂者何地？命亂者何人？公聞之否耶？大同懷左奸淫焚掠之慘，滅倫絕理，士民至今切齒，公知之否耶？公如雲保守，不必視友為仇。公即有企圖，何為認賊作父。人心固不可測，天性必無改移，證諸往事，為友為敵，固可了然。何去何從？豈容自誤！公今所爭，究為何事？所戰究為何人？就令我軍全數出關，北方大局，能統一乎？煥章交情能永久乎？苟一思之，不寒而栗。學良、麟春追隨戎馬之日久矣，天日不愧，何懼於公？而獨為我公懼也。昨詢仲雅，亦復無詞。顧特表公誠懇，然則言與行背，得毋事與心違，往復百思，不得其解。彼方李二公，自為其友造機會耳……。今昔相衡，吾友安在？往事已矣，公既有必戰之心，學良、麟春無退縮之理，鞭弭周旋，事非獲已，臨書待命，不敢告勞，即承動定不宣。張學良、韓麟春叩。微（五日）。”
奉張自獲悉晉閻參加革命軍討奉後，就積極布置一切，並召京外各將領入京，張宗昌2日晚由濟到京，韓麟春、楊宇霆3日晨先後由奉趕到，連開兩次通宵會議，對軍事方針大體決定：（一）津浦線由第一方面軍扼要防守，暫持人不犯我我不犯人宗旨。（二）閻錫山此次反奉，系以馮玉祥為後援，此路最為重要，二七兩方面軍，應依照原定步驟，努力向汴鄭發展，以斷馮、閻之聯絡。此路副總指揮，仍以張宗昌、褚玉璞分別擔任。（三）閻錫山因奉主力軍在京漢線，故對京綏路猛攻，意在分散兵力。其實閻之目的，仍重在京漢線，此線由張學良、韓麟春擔任指揮，先取守勢。（四）京綏路方面決定由張作相、湯玉麟分擔正副指揮，一切照原定計劃進行，亦應先取守勢。10月4日晨張作相赴京綏，張宗昌返濟南，張學良、韓麟春率八大處人員往保定，又令吳俊升為東三省邊防總司令暫駐奉天，仍兼黑省督辦原職，事實上代行東三省保安總司令職權，奉軍全部入關，由吳直轄部隊任奉天守備，以固省防。奉方認為晉省實力不多，接濟困難，利在速戰，故主張退至險要地點，嚴陣固守，以待晉軍之疲。同時張家口非可守之地，決計放棄，集中實力於康莊、懷來、居庸、南口。京漢則分定州、高碑店兩路固守，待時而擊。
晉軍討奉的戰略，則已一變北方向來正面激戰之老法，而多采旁擊截攻之方，其最得意之便衣隊，在京綏，京漢沿線時有出沒。晉軍進兵共分五路，第一路即系向張家口，而在柴溝堡激戰。第二路由天鎮向東南趨宣化。第三路由蔚縣襲南口之後，意在附南口之背，俾京綏正面之晉軍，可少犧牲。但奉軍當局，亦已偵知，對此路甚為留意。第四路為石家莊，即在正定與奉軍十五軍激戰。第五路在石家莊以南，沿京漢線，預備牽制大名之直魯軍。
晉奉兩軍在京綏、京漢兩路實力，至少均在10萬以上。
開戰前奉、晉防軍之分配情形大致如下：
（一）京綏線奉軍以高維岳之第九軍為主力，轄三師一騎兵旅。第十六師郭希鵬駐豐鎮，第十九師孫德荃駐張家口，第二十二師竇聯芳駐張家口，察區騎兵旅董懷清駐集寧縣。此外駐宣化懷來一帶者，為湯玉麟之十二軍，熱河後防，則為熱軍一部及於花山第八師等。晉軍以商震為晉綏軍左路總指揮，所有駐大同之第十四師李服膺，第十師李生達，駐包頭第九師吳漢華，第五師王靖國，駐綏遠之第一師李培基，駐歸化之第三師楊士元，及譚慶林之騎兵等皆歸統率。奉軍以原防軍兵力較單，業調涿州淶水昌縣等處之吉軍約2萬人，赴宣化懷來增防。北京之孫旭昌師及鄒作華炮兵一部，亦奉令開往西北增援。
（二）京漢線奉軍大部皆屬於三、四方面軍團，轄軍六，每軍人數或三旅或三師不等。十五軍汲金純駐最前線正定，共有楊德生、白文林、鮑毓麟三旅。十六七聯合軍軍長胡毓坤、榮臻駐定州，十四師秦永義、十九師李樹林、二十師丁喜春、二十七師應振復、二十八師孫兆印、分駐定州、新樂一帶。第八師萬福麟，轄李振唐、趙有兩師，及馬占山之騎兵師駐保定。第十軍王樹常、十師劉輔庭、二十四師韓光第、二十六師楊正治，皆駐保定。二十九軍戢翼翹，師長富占奎、黃師岳、何桂國，駐高陳、河間、任邱。此外十一軍劉偉部，轄蘇炳文、李萬斛、安錫嘏三師，原駐津浦北段，近亦奉調一部開京漢助防。保定以北之吉黑軍，共約2萬余人，駐守高碑店。除一部赴京綏外，余仍留原防。晉軍在石家莊者，以徐永昌部為主力，孫楚部擔任前鋒。
當奉、晉兩軍開火後，張作霖、閻錫山還有最後的往來電，閻電雲：
“北京張雨帥鑒：奉晉夙敦和好，不幸以兵戎相見，實違初心。在我公固不免有所誤會。在錫山實出於情不得已。鞭弭周旋，三捨莫避。膏血原野，言之疚心。方今革故鼎新，全國一致，民意所趨，順應為宜，苟有解決途徑，仍當開誠相與。錫山本無窮兵之心，我公夙有擇善之意，特布巽忱，佇候明教。閻錫山叩。歌申。印。”
張作霖亦有復閻錫山電：
“太原閻百帥鑒，歌申電悉，五原克敵，我讓綏區。石莊阻兵，我退正定。為顧全和好計，為北方大局計，退避威稜，豈止三捨。柴溝之役，釁自誰啟？我軍稍事抵御，即退張垣，其為對晉並未設防，亦可概見。此已往之事實，難掩中外人耳目者，自問坦白公誠，無不可告人之事，是非具在，誤會何來。今既相見以兵，成敗利鈍，惟力是視。惟最後一言必須為公盡忠告者，認敵作友，與虎謀皮，敗固無幸，勝豈相容？至功首罪魁自有定論。我輩作事，宜光明磊落，爭千古不爭一時，爭曲直不爭意氣。解決之途，聽公自擇！不違之復，惟公察焉。特布區區。即候明教。張作霖。陽。”
自9月28日奉晉兩軍在柴溝堡沖突後，奉軍高維岳軍以事前未有准備，倉猝應戰，似頗不利。奉軍為戰略上關系，放棄張家口，高維岳率部退宣化、懷來一線，與湯玉麟會合，張作相亦率援兵趕到，專守宣化以下的要塞，下花園為第一道防線，懷來為第二道防線，居庸、南口為第三道防線。10月3日晉軍第九、第十五兩軍即已逼至張家口附近，但3日上午奉軍已全部撤退，故晉軍進入張家口後，立即出示安民。
從9月27日起到10月8日，這十天是奉軍的布置期間，10月8日奉軍已在京綏和京漢兩線布署齊全，遂下令總攻擊，原令略雲：
“茲查敵軍情狀，純為前進陣容，我軍為鞏固共和計，自應施行攻擊。（一）本令到時，張學良、韓麟春應率領三四方面所轄各軍隊，由保定經過所設陣地，向石家莊進發。（二）本令到時，張作相、湯玉麟，應率領第五方面所轄各軍隊，由下花園經過宣化張家口，向大同進發。其萬福麟部，仍照原定戰線進攻。（三）本令到時，張宗昌、褚玉璞，應率領二、七方面各軍隊，由濟南、徐州，經過東明、曹州、夏邑各地，向開封、鄭州、運城進發，大軍所到之地，務以安輯黎庶為主。”
奉張對晉閻下總攻擊令後，奉軍即在京漢線發動攻勢，10月8日以前是晉軍攻勢猛烈，保定附近均有戰爭，奉方預定以戢翼翹、王樹常兩軍分任左右兩翼，中路故意引晉軍深入以成包抄之勢。10日戢翼翹率左翼軍到定州，晉軍歸路果然被截斷，全局動搖，石家莊亦同時被直魯軍孫殿英部及奉軍騎兵集團張樹森部所占領，因此在京漢路上，晉軍大勢遂去。
11日涿州雖曾一度被晉軍所占領，但當晚即被擊退。
張學良、韓麟春於10月11日由保定發出告捷電：
“此次閻錫山毀信滅義，擅啟戎端，乘我不備，潛師進襲。在我本無一戰之心，寧辭三捨之避。乃閻氏一再進兵，忍無可忍，為正當防衛計，不得不起與周旋。而軍隊散居各地，集中需時。晝夜兼程，師行二百余裡。因彼進攻，誘其深入，我軍士氣風發，需知與我對壘者為晉軍第二軍楊愛源，第三軍徐永昌，第四軍傅存懷，第六軍豐玉璽。第十軍李維新各全部，當經我軍迎頭進擊，復派二十九軍戢翼翹，騎兵集團張樹森部，銜枚急進，業先後占領定縣、石家莊、包圍側翼，斷其歸路。敵軍前線潰退，不復成軍。是役斃敵確數計旅長二員，團長六員，營長以下七十余員，士兵約近萬人，生俘官兵約數千人，步槍數千支，大炮數十尊，機關槍數十架，其他輜重無數。軍資遍野，骸骨積山。晉民何辜，肝腦塗地。是閻氏一手之誤，因利投機，陰行詭道，天奪其魄，自取敗亡。足使背棄信義反復之徒，垂為炯戒。我大元帥誠心公道，天日為昭。威德廣被，故能將士用命，迅奏膚功。學良、麟春何德何能，適逢運會，根求源本，士氣激昂，一鼓殲敵者功什之一，天心佑順，百驗不爽者，功什之九也。現在分飭諸軍，乘勝進擊，分別繳械中。詳情續達，先露布以聞。張學良、韓麟春。真未。”
當時在北方的軍事觀察家認為晉軍戰略上欠斟酌，分析當時形勢甚有見地，特抄如下：
“一般人觀察，晉當京漢主守，而京綏主攻，如占南口京師震動。奉軍即在京漢獲勝，亦當回顧後方根本。乃晉軍不知如此，兩路均采主攻，該軍平日訓練，又系守重於攻，今突取攻勢，已嫌教育不夠，而配置不合，亦為失著。蓋京漢路晉軍有六萬，京綏路則只出有三支隊。奉軍退出張家口後兩日，晉軍方進，似終無急進模樣。此路奉軍原本最少，晉不以主力進取，誠奉方之幸事也。復次晉軍有一大病，即兵力太分。奉軍專守，力易團結，晉方兩路同攻，此處置一旅，彼處進一團，奉軍則預置防軍，來則擊之，凡此皆晉軍戰略錯誤，致不能收速戰之利。晉更有一失算之事，即認為奉軍三四方面之軍，已不堪一戰，故以重兵壓迫京漢路，又希冀馮軍可以加入。不知迂回計劃成功仍出於三四方面之部隊，而馮軍來援者，又復不能踴躍，終致失敗，可見用兵料敵之不易矣。不過奉軍雖勝，但據干部人雲，此次戰爭，奉系被動，晉主力既已損失不小，自難再戰，奉方則始終認馮為敵，願與閻友。閻此刻即罷戰言和，奉不願窮兵攻晉，誠以閻在山西，究有治績，奉實無利其土地之意。且易一人去，亦未必便比閻好。不過閻受包圍，恐已欲罷不能，奉亦只有相與周旋耳。”
自奉軍在京漢路正面告捷後，奉軍就控制了保定以南，可是當張學良報捷電發出後，京漢後路突起變化，距北京城百余裡的涿州，於10月11日下午發現晉軍三團將城占領，京保交通遂告中斷，奉軍卅軍軍長於芷山趕往指揮，12日將晉軍擊退，可是奉軍甫撤，晉軍又來，涿州二次陷落。15日張學良親率勁旅會同於芷山等包圍涿城，鄒作華亦派炮兵轟擊，結果又將涿州車站奪回，晉軍仍據城堅守。26日張學良到松林店視察防務，隨即下令於27日早發動第三次攻擊，戰況雖然劇烈，但奉軍毫無所獲，30日奉軍第四次攻擊，以張學良合衛隊旅為中堅，萬福麟親自到前線督戰，雙方激烈戰斗一日夜，涿州城雖然兩度轟開，但卒未攻克。
晉軍守涿州的是傅作義，這一戰使傅作義大露頭角。而涿州的攻防戰也取代了京漢、京綏兩線的重要性而成為奉、晉兩軍的主戰場。觀察家認為涿州若果為孤城，則守者無益，攻者亦可不必亟亟，於軍事上自無重要意義，但兩旬以來奉軍總攻達四次之多，城失而復，高潮迭起。奉軍除利用重炮作掩護而外，並預備泥沙五萬袋，木桿數千條作步兵爬城之用。但涿城守軍在城腳挖掘深穴，同時准備大量滿盛沙土的麻袋，城垣遇炮轟開缺口時，沙袋立即堵塞，當奉軍逼近城牆，守軍機關槍及手榴彈同時齊發，因此進攻的奉軍所受損失比起守城的晉軍為大。
11月17日奉軍第五次猛攻涿州，仍未得手，傳說在這次攻擊中奉軍曾使用毒氣，閻錫山為此致電張作霖質問，電雲：
“張雨帥勳鑒，迭接涿縣敝軍傅師長電稱，自銑日起至效日止，貴軍用毒瓦斯彈，攻擊涿城，人民因不明防護方法，受毒氣而死者甚眾等語。毒瓦斯國際間尚且禁用，況對國人乎？弟亦深知毒瓦斯之能殺人，所以不敢用者，亦以子孫須長久作中國人民，因一時之勝負，而為子孫得罪中國人民，想亦我公之不許也。閻錫山。印。”
張復電雲：“閻百帥鑒，電悉，涿洲之役，傅作義受執事亂命孤軍深入，以致糧盡援絕，坐待滅亡。越境而侵入，不能援城亡亦亡之義，負-而禍眾，更難以效死弗去為宜。晉軍何辜？而使效困獸之斗。涿民何辜？而使受魚池之殃。凡此種種罪惡，皆由執事之認賊作父，一念之差，有以致之。毒瓦斯之用，外國人借以制生番，擊野獸，涿州之寇也，窮寇也，籠鳥釜魚，早晚間事，何須乎毒瓦斯。涿之民，良民也，虎狼入室，救之不暇，何忍出毒瓦斯。愛我涿州之民，欲除涿州之寇，一切精兵利器，屏置不用，僅用燃燒彈煙幕彈，以待逆敵之自決而已。若不顧人道，不愛吾民，則以我軍數百萬健兒，取此彈丸之地，不猶易如反掌，何致經旬不下耶？南北兩路，逐數十萬晉軍如摧枯拉朽此執事所親歷者，何待於涿州之敵，而用此毒瓦斯也。今晉北綏遠，已全歸中央，平型、龍泉各關，已均收復，執事禍晉禍國，……已將終了，如能翻然悔悟，本大元帥不為己甚，何所不容，尚當量予保全。倘怙惡不悛，則將來攻取太原時，我之堅甲利兵，或當一試，以為背信滅義禍國殃民者戒。禍福之幾，惟希自擇。大元帥。
漾。”
奉軍久攻涿州不下，使得在京綏、京漢兩線的頻傳捷報為之黯然無光，盡管奉軍以絕對的優勢向晉軍攻擊，可是區區一個涿州城在傅作義堅守下，屹立無恙，奉軍縱使作任何解釋也無法令人滿意。
自奉軍開始總攻擊後，10月14日在京綏路克宣化，15日入張家口，17日占領石家莊。10月18日張作霖下令頗有對閻適可而止，不願過事逼迫，以拆散閻、馮之合作，令雲：
“迭據張學良、韓麟春電呈，收復定縣，正定、石家莊等處。張作相、湯玉麟、高維岳電呈，收復宣化、張家口等處。其涿州、門頭溝一帶之逆軍，亦據報分別擊散情形。查閻錫山附亂稱兵，甘為戎首，本大元帥迫不得已，令飭各路將領，分途進討。所幸旬日間，均告克捷，固由各將領督率有方，各軍士奪勇用命，實乃天心仁愛，眷佑國家。……故在我雖倉卒應戰，得以迅速奏功，在彼則師出無名，不得逞其凶志。惟此次戰事，甚為劇烈，傷亡眾多，作戰區域，摧毀殘破，同是國家土地，同屬國家人民，何罪何辜，罹茲慘劫。言念及此，良用痛心。閻錫山首難殃民，罪有攸關，倘有悔禍之誠，本大元帥亦不願過為已甚。若仍恃其頑強，罔知悛改，為國家大局計，惟有遣軍進剿，以救晉民於水火塗炭之中。各該將領務當整厲精神，力加戒惕，毋得乘勝而驕，毋以多殺為貴。軍入晉境，尤當嚴飭所部，毋得擾及閭閻。即逆軍之將校軍士，但非頑強抗拒，亦不得肆行誅戮。其有輸誠來歸，均准一體容納。所有經過戰事地方，被災人民，著飭知各該地方官妥為撫輯，毋任失所。此次出力將領，業已明令分別獎勵，其余出力官佐及陣亡將士，一並查明呈候從優獎恤，此令！”
此後京綏路一線進展極為神速，10月30日起迭克柴溝堡、懷安、天鎮、陽溝等地。11月3日奉軍占領大同，並由大同南攻，續進至山陰縣。右翼抵朔州，正面迫攻廣武、雁門。張作相率主力移駐渾源，在平型關之奉軍於芷山軍及龍泉關之王樹常軍則越過沙河鎮及天營鎮，攻繁峙縣及五台。晉軍商震駐代州指揮雁門及繁峙兩路。閻錫山坐鎮太原調度五台及娘子關軍事。
11月9日湯玉麟報告郭希鵬師占領綏遠省城，奉軍進至包頭。14日奉軍占領平型關，山西險要漸失。但閻錫山縮短戰線後，兵力已可集中使用，奉軍進入山西，山西交通不便，運輸困難，易守難攻。12月2日奉軍於芷山曾有報告軍一電雲：
“第五方面軍團司令部，因沙河鎮、大營鎮先後攻下，特令本軍擔任進攻繁峙之線，其北部之戰線，系命高都統率師由茹越口下廣武會合，決對雁門三路並攻，以便早日克復。惟敵軍對繁峙、五台兩線，聯絡最緊，攻繁而不防五，敵方必能自為策應，恐有牽掣之虞。現軍長已命第二十九師孫師長（旭昌）率領各團，星夜南進，現得報告，距五台僅三十五裡，沿途雖有沖突，多系譚慶林潰軍，不堪一戰，因敵之主力，確在五台也。至於繁峙正面，由軍長親率第八師分途進攻，敵方士兵因天氣奇寒，皮衣缺乏，多無斗志，故勢如破竹。惟聞敵在繁峙防御之工程，極為堅固，現我軍前線距繁甚近，日內定有劇烈戰事發生，又軍部已於東（一日）日進駐蔡家峪。
附聞。”
12月7日正午奉軍派出正式代表偕同北京的慈善團體代表及山西旅京同鄉會代表持白旗進入涿州城，向傅作義接洽和平讓出涿州城，傅作義態度頗為倔強，代表們不得要領，因傅作義提出的條件是全師退往山西，做為和平讓出涿州的條件，奉方認為這個無可協商，於是和談代表在涿州住了兩天，9日晚出城，毫無結果，10日返北京。
奉方代表在涿州前後三天兩夜，對傅作義的倔強態度印象頗深，並探悉城內晉軍原有五團，計三團步兵，一團炮兵，一營工兵，一營機關槍。傅入城後即實行糧食管理，計養軍民不下8萬之眾，被困雖已兩月，士氣民心都未動搖。
閻錫山由太原到五台，因繁峙情況較緊，即到代州指揮。晉軍長於取守，奉方亦承認已到大犧牲時期，但謂實逼處此，和平無從說起，只好打向前去。奉方軍隊在晉東晉北兩面為張作相部吉軍、湯高之熱察軍、第三、四方面之第八、九、十、及於芷山之卅軍，人數不下7萬。晉軍實力亦相差不遠，惟晉境多山，軍事進行不易。奉軍又時懍孤軍深入之慮，所以雖具猛攻決心，但發展似甚艱難。
自晉方縮短防線，晉軍即完全采取依險防守計劃。其主旨乃在乘間整頓內部，增加實力，靜待寧豫各軍發展，然後再會師反攻。而奉軍方面，亦以激戰之余，需補充休養，且天寒道遠，地勢生澀，不願孤軍深入。故月來各路戰事，均成對峙之局，無任何新發展。龍泉關間，雖有一度激戰，然亦只能認為游擊性質，並非正式動員。此時晉軍戰線，純取包圍固守形式，非至迫不得已，絕不輕易攻擊。故目前只在防衛方面，多方努力。其目的欲利用天然之險隘，誘敵深入，乘機以圖有功。北路方面兩軍現亦仍在對峙，毫無任何動作。平型關間形勢，目前雖亦經一度緊張，但因奉方窺破晉軍系誘敵之計，故亦急急後退，局勢又歸沉寂。該處正降大雪數寸，氣候異常寒冷，山嶺崎嶇，道路泥滑，行軍守尚較易為力，攻則極感困難，此亦奉軍未急進的一個大原因。京漢南端之正太線，奉軍仍駐守石家莊，晉軍前線在獲鹿井陘間，前鋒雖時或有小沖突，但非主力戰，無關得失。12月10日張學良、韓麟春自保定歸京，韓於13日復由京赴奉，可見京漢軍事，已不甚緊張。汲金純亦曾一度入京，旋又赴石。張、韓等入京任務，是商討應付戰局辦法，與涿州問題等。
傅作義堅守涿州城，五次擊退奉軍的總攻，受到中外的重視。
傅作義是閻錫山所部第四師師長，於16年10月14日進入涿州城，以旅長白某為衛戍司令，團長彭慶曾為城防司令，傅的守城戰術很巧妙，不只是以少擊眾，而且設法使被截留於城外的挺進部隊偷奪奉軍械彈糧秣由地道運入城中，且在城內設有陷阱，奉軍突入即落陷阱中，因此奉軍雖先後五次總攻，但終能堅守孤城，擊退奉軍5萬以上兵力。
奉軍攻城統帥張學良鑒於傅作義守城頑抗，乃采取長期圍困方法，傅作義針對奉方新策略，一方面積極從事於工事補修，一面掘取暗壕以防奉軍的坑道攻擊，一面於涿城西南角後方百公尺處添築第二線防御陣地，構成極強固之散兵壕及炮兵掩體，並附以外壕，壕前利用半截樹根構成鐵絲網，通路上設置拒馬，更於城西南角之兩側城牆上構築極堅固之機關槍掩體，俾以火力封閉缺口。更在城內築成第二線城牆，以期固守。
10月27日至30日之間，奉軍曾以坑道進迫，經守兵察覺，以火藥爆炸。奉軍乃改以城外構築工事，掘外壕設地雷鐵絲網等，以圍困守軍。這時隆冬酷寒，守城官兵於冰天雪地中，忍凍守城，困苦特甚。而城內食糧僅能支持三日，軍心不無恐慌，傅作義特電閻錫山報告，並與所部團旅長等聯名簽署，電文如下：
電一：“（銜略）連日敵猛攻甚烈，城牆被炮轟平者數處。室無完璧，彈糧將盡。敵雖傷亡甚夥，我亦損失三分之二，退則無路，勢必星散。刻擬設法保全實力，待機謀敵。否則唯有成仁，以報知遇。”
電二：“（銜略）敵以五萬之眾，及炮工兵全部，未下涿城，已傷亡大半。抑使抽調南下，其氣已餒。近則京、漢列車，多載重武器北上，已有退意。我軍當此千載一時良機，若能火速反攻，則職等為牽制計，於旬日內當日食一餐，以竟全功。不繼則以草根樹皮濟之，捨此則報國雖切，無能為也。彼時痛惜，曷其有極。”
12月8日，涿州守城部隊，奉到閻錫山兩電，其文如下：
電一：“（銜略）該師固守涿城，力撐大局，忠勇奮發，喜慰良深。所有全師官佐，著一律進一級待遇，頭目則以排長記名，士兵賞洋十萬元。其尤特別出力之官佐士兵，著該師長擇保，陣亡官兵均著進一級給恤，其死傷最烈者，並著查報，從優恤賞。”電二：“（銜略）頃奉國民政府魚電開：‘閻總司令轉汲州傅師長鑒：涿州屏藩三晉，鎖九門，形勢之雄，兵家所重，傅師長力撐大局，固守斯城，軼淮陰背水之奇，恥南人乞援之舉，得道多助，無慚仁義之師。眾志成城，何慮金湯不守。敵不得逞，民有所歸，彌著功勳，實深喜慰。現西北軍克復徐州，此時北伐各軍亦大舉進擊，將見義師雲集，與三晉袍澤會定幽、燕也’等語。除代復外，望仍努力固守，以永嘉譽，是所至盼。”
涿州究竟是一個孤城，雖然奉軍屢攻不下，可是孤城奮斗終歸要彈盡糧絕，開始時城內尚有米面，不久即以雜糧果腹，半月後改以高粱充饑，士兵們做成黑窩頭，吃了苦不堪言，12月初城內連黑窩頭也沒有吃的了。傅作義乃與當地維持會研究以酒糟代替，更是難以下咽。12月14日涿城婦孺數百人擁集傅軍司令部外，環跪泣訴，她們多已三日沒有吃東西，希望結束戰爭以救殘生。
至12月25日閻錫山電告：“我革命軍克復徐州，由津浦路大舉北上，山東震動，馮玉祥大部由京漢路會合我軍三路進攻，即當直趨京津”等語。傅作義接電後即召集各級干部商量突圍，可是守城士兵苦戰二月余，食糟一月，頭腳已腫，傷病累累，而奉軍圍城數重，突圍根本不可能。在這種情形下繼續撐持了一個月，至17年1月底派員向圍城的奉軍接洽和平條件，2月4日商妥訂立條約：
（一）涿州戰事自即日起一律停戰。
（二）涿州人民自戰事發生之日起，所有一切負擔及損失完全由奉方清償。
（三）涿州守城軍自本日起改稱國防軍，永不參加任何內戰，其槍械服裝及餉項由奉方補充發放。
（四）國防軍之駐地為軍糧城，由涿州開往，日期另定。
（五）國防軍離涿州以前，由奉方交付現洋20萬元為開拔費。
這五項條款簽訂後，17年2月7日傅軍乃如約開城。自16年10月11日傅作義的第四師進占涿州後，至17年2月7日，先後堅守達100余日，孤軍奮戰，中外震驚。
清末民初的名士樊增祥曾有詩稱許傅作義守涿州，詩曰：
“新收涿鹿七千人，百日燕南集大勳，十六年來千百戰，英雄我愛傅將軍。”