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赵恒惕获知吴佩孚翻了脸，大吃一惊，8月19日他到蒲圻召开军事会议，下级军官和士兵们推举代表见赵请求再战，因此赵于22日又下了攻击命令。这次战斗中 ，湘军兵士和军官们订立了“生死不退”的誓约，军官退缩，兵士可以擒而斩之，兵士退缩，军官可以在阵前执法，旅长以上军官亦须随时上火线督战。
直军方面吴佩孚也组织了督战队随军出发，只许前进不许后退。22日湘直两军在汀泗桥展开了争夺战，湘军被阻于强烈的炮火网不能前进，这时赵恒惕已上了火车，准备折回长沙，看见战地情况不妙，乃又跳下火车来组织了敢死队，每人犒赏了20大洋，冒着炮火冲锋前进，一鼓作气夺到了直军的四挺机关枪，直军被湘军的勇猛攻势所吓倒，只好向后退却。
赵恒惕看见直军已后退，才重新再上火车回长沙。
23日直军增援反攻，战况激烈。24日湘军再度施威，把直军压迫到汀泗桥以北，于是汀泗桥火车站重入湘军之手。
25日靳云鹗旅被湘军包围，但是战场上发生了一个意外，由于直军遗弃了很多枪枝，湘军纷纷争夺这些战利器，于是直军便乘机反攻，湘军抵挡不住，向蒲圻和赵李桥败退。同时湘军右翼独立旅旅长易震东忽然率部倒戈，使湘军右翼发生动摇，径向通城迅速撤退，易震东是葛豪的表兄，葛豪曾做过吴佩孚的副官，后来加入湘军，一直升到铁道警备队司令，湘军“援鄂”前，赵恒惕派他去见吴佩孚，探访吴对湖北问题的态度，吴把葛留了下来。湘鄂战启，铁路警备队改编为独立旅，赵恒惕便以葛的表兄担任独立旅旅长。
战场形势突变，吴佩孚又叫海军在金口决堤淹湘军，左翼湘军因之也不能立足，由簰州、嘉鱼向临湘迅速撤退。
赵恒惕在长沙获知前线战况不利，乃于26日再赶赴前线，告诫官兵不得再退，并且亲自处决了两个作战不力的团长。由于统帅的亲临，才使湘军阵脚稳定了下来。
赵恒惕用全力应付当前的敌人，他把“援桂军”谢国光部从桂林调回，不过负嵎湘西的蔡巨猷、陈渠珍各部都调不动，所以比起强大的直军来，就有小巫见大巫之感。同时，军火无继，饷糈困乏，本来湘军一心想打下武汉，可以从汉阳兵工厂补充弹药军械，现在这个计划落空了，加上湘军久战疲劳，和新投入战斗的直军相比不免相形见绌，而吴佩孚陆续调动了海陆军，源源补充，士饱马腾。两者对照，湘军完全处于劣势。赵恒惕原来就不太赞成“援鄂”用兵的，他最担心的，就是可能召致吴佩孚的迎击，现在不幸而料中了，一切都和他担心的一样。他不愿见这场军事赌博失败，在饥不择食的情况下，他收容了在广西不能立足而逃到永州的桂军沈鸿英部。张辉赞向赵建议，主张解决沈鸿英，改编他的军队。可是赵宅心忠厚，认为沈穷而来归，处决他殊为不义。因此他给沈鸿英以“湖南援鄂自治军第三军”的番号，令其火速开赴前线。
同时赵曾电请陈炯明派军入湘应援，这时桂系已经瓦解，陈炯明为了履行湘粤同盟义务和巩固西南“联治派”的联合阵线，所以把粤军中的湘籍部队编为“援湘军”，派洪兆麟为总指挥，即日赴援。
可是，时间已来不及了，8月28日杜锡珪率领军舰七艘，运载北洋军第四十八混成旅、山东第一混成旅、湖北第四混成旅和第十二混成团，紧紧尾随在日本军舰的后面，由螺山向岳州上驶。湖南既无海军，江防又很薄弱，又不敢随便开炮，怕误伤日本兵舰，北方军舰遂得顺利通过洞庭湖而抵岳阳楼下。
28日下午4时，北方的海军炮轰岳州城，岳州方面守军只有第二混成旅两连，无力抵抗。而湘军统帅赵恒惕正在岳州，由于南津港桥梁被海军炮火所轰毁，火车不能通行，赵恒惕乃乘轿出走。岳州一溃，整个前线的湘军就像潮水一般溃了下来。
赵恒惕由岳州绕道平江向南退走，于30日回到长沙。这时长沙已陷于兵荒马乱中，医院里住满了缺肢断臂的伤兵，街头巷尾则是败兵和从医院出来的伤兵。败兵们和伤兵们曾冲入赵的总部，赵的勋章和军帽都不翼而飞。警察们因欠饷而罢岗。各学校和商会都被军队借驻。而前方还不断有败兵退回来，一路上抢吃抢钱，农村城镇都遭洗劫，耕牛鸡鸭和猪羊都被宰食。
更使赵恒惕痛心的，是江西督军陈光远，他一向对湖南都陪着笑脸，现在则乘火打劫，派萧安国一旅侵入醴陵，使得长沙岌岌可危。所幸沈鸿英部及时赶到，赵恒惕令沈率部开往浏阳、醴陵一带防堵。
由于长沙已受威胁，赵恒惕决定退守湘西，他回到长沙后即部署撤退到湘西的军事行动。可是就在他回长沙的第二天，驻长沙的英国领事突来访赵，愿意担任“调人”。赵犹豫间，英国领事主张由他陪赵乘坐停泊长沙的英舰“美格诺里亚”号到岳州去和吴佩孚面对面谈判。
原来，吴这时虽在军事上占了上风，可是本身的顾虑也非常之多，一方面奉系的压力加大，一方面川军已出军援湘，一支奇兵开到了宜昌，还有陕西问题也牵制了直系部分兵力，这些情况在长沙的赵恒惕并不知道。而吴佩孚面对当前局势，希望早日结束和湘军战争，所以暗中请英国领事出面作和事佬，敦促赵恒惕到岳州来和吴佩孚见面，同时签订湘直停战条约。吴佩孚是想终止了湘直战争，反过来利用湖南为南北双方的军事缓冲地带，这样他才能腾出力量来抢救鄂西，解除四面受敌的严重危机。吴佩孚向英国领事保证，只要赵恒惕愿意亲赴军前谈和，直军便保证不进攻长沙，并且维持赵恒惕的地位。
9月1日赵乘英舰到岳州，吴佩孚已乘江贞舰先抵。英舰停泊江中，英领事陪同赵恒惕乘小艇到吴的座舰拜访，两位老友还是第一次见面，相见欢洽。吴用兴奋的口吻对赵表示倾慕之忱，希望两人友谊不要因这场战争而受到伤害。同时请赵放心，直军决不侵犯湖南，更不会进占长沙。
吴赵这次会晤，传说两人正亲切的谈话时，后舱里忽然跳出一个长脸的汉子，揪着赵的胳膊大叫：“好！今天真要和你算帐，你为什么无端端要侵犯湖北。”赵吓了一跳，回头一看，原来是日本士官的老同学孙传芳，吴从旁替赵解围说：“馨远（孙传芳），过去的事不须谈了，湘鄂战争的戎首是宋鲁两人，不要错怪炎午（赵恒惕）。”其实这是不确的，吴治军很严，吴赵会谈，吴的部下怎敢随便闯进来。
两人扃门会议了一小时，吴提出湖南取消自治，惩办宋鹤庚、鲁涤平等祸首。赵坚决不同意。吴又提出直军驻防岳州，在这个问题上双方争论多时，赵只答应划岳州为不设防城市，双方都不驻兵，吴也不肯同意。
最后，赵终于接受了让出岳州的停战条约九款。包括双方以汩罗江为界，直军撤至黄街、长东街，湘军撤至湘阳白水，湘东、鄂西各军撤回原防，武长、株萍两路及江西交通一律恢复等。
湘直停战条约签订后，吴当天回到汉口部署鄂西军事，赵也回到长沙处理军事善后问题。赵一连接到陈炯明打来九个“百万火急”电报，询问前方战争情况，由于湘直停战条约成立，粤军援湘部队遂停止出发。
后来有人检讨这场战争，认为是王占元上了赵恒惕的当，赵恒惕又上了吴佩孚的当，不过这也不完全对，赵在湖南当时力图推行“自治”，湖北人反对王占元，求助于赵，赵一再犹豫，有人且责赵因为犹豫而失去一举攻占湖北的机会，所以王占元上赵恒惕的当是不正确的。赵援鄂不是完全基于野心，当时赵也没有吞吃湖北的野心，只是想援助鄂人治鄂，湘鄂一家而已。至于吴佩孚，他虽然对王占元不满意，可是王究竟还是直系，他已成为“新直系”的领袖，岂能坐视湖北落入两湖人之手唱自治。所以他当然要率兵入鄂的。
吴佩孚解除了湖南的正面战争后，就回师全力对付已经进入鄂西的川军。
原来四川方面由于内部不统一，也需要向外发展以消弭内争，所以组成了“四川援鄂军”，推刘湘为总司令兼第一路总指挥，但懋辛为副总司令兼第二路总指挥。刘湘本是川军第三军长，但懋辛是第一军军长，熊克武下台后，刘湘继任四川总司令兼省长，可是但懋辛是熊克武系，所以第一二两军暗中颇为紧张，“援鄂”就是为了和缓这种紧张。
“四川援鄂军”由川军第一二两军各抽调若干混合组成，派湖北籍将领潘正道为前敌总司令。
川军“援鄂”并未公开宣布。
川军沿长江顺流而下，于8月18日占领巴东、秭归后，分兵为三路，一路沿长江进攻宜昌，一路由长江北岸进攻当阳，一路由长江南岸进攻宜都。总目标是包围宜昌。
9月2日川军到达宜昌南岸，守宜昌的第十八师长卢金山、第十八混成旅旅长赵荣华都抵挡不住，急电向吴佩孚请援。吴对湘军采取了速战速决（水淹七军）的方针，和炮打岳州城的手段，并由英领事出面拉拢，解决了湖南的压力，于是腾出手对付川军，当湘直停战约成之日，正是川军兵临宜昌城下之时，可惜赵恒惕完全不知道川军的行动，如果知道，不只不会被迫签订城下之盟，也不会到岳州来乞和，自当调兵遣将与川军呼应，夹攻直军。
宜昌是长江上游一个重要的城市，英、美、日等国都有军舰驻宜昌水面，各国也有领馆在宜昌城内。川军包围宜昌后，英、美、日三国军舰上的水兵便以护侨为名，在宜昌登陆，而三国领事也出面调停川直战争，他们于9月5日前往夔州向川军代理第一路总指挥唐式遵接洽停战条件。
就在三国出面调解时，吴佩孚乃迅速调派第三师第一团，和王承斌的二十三师一部，张福来的二十四师一部以及王汝贤的第八师全部不分昼夜，开赴宜昌应援。
9月6日川军因谈判破裂再攻宜昌。直军坚守。
14日吴佩孚偕杜锡珪乘坐楚泰舰赶到。16日川军北路越过东山寺，吴佩孚亲在前线督战，奋力击退了川军，可是川军南路又进抵磨盘山，宜昌岌岌可危。18日吴在长江北岸大梁山、二梁山架炮轰击南岸川军，这支川军被迫退往朱家坪，北岸川军也退往南津关。从18到27日，吴在海军协助下先后占领南津关、平善坝、南沱溪，10月上旬又占领秭归、巴东、兴山。
鄂西战争打了一个多月，川军来势极凶猛，从9月10日到22日，占领长江两岸的险要地带，北路攻下当阳，南路攻下长阳，宜昌有随时被攻陷的可能，这一次吴佩孚又顺利地转败为胜，因为英、美、日三国出面调停，川军犹豫不前，吴则借这个时间增兵驰援，加上海军的协助，终于击退了川军。
可是川军虽败，吴则没有力量衔尾穷追，因为四川易守难攻，何况吴佩孚还要应付奉系和孙中山的北伐，所以遂与川军言和，条件只是川军退出鄂西一项。
吴佩孚把应付川军的责任交给孙传芳，对付湖南的责任交给张福来。
吴佩孚一生这是最得意的时候，“东征西讨”，得心应手。
早在湘军“援鄂”前，6月4日浙江督军卢永祥曾建议召开各省联席会议，推进自治运动，西南各省都表赞同，卢曾电请赵恒惕主持这个会议，赵很谦虚，他觉得自己声望不够高，不肯出面主持。
湘军驱王前后，赵曾派了代表多人分途到西南各省活动，打算在武汉攻下后，就在汉口召开各省联席会议，讨论组织联省自治政府，陈炯明和滇川黔三省当局都表赞同。
赵的代表还分途到了浙江、陕西、江西等省，皖系的卢永祥、陈树藩一致表示同意。陈树藩这时已离开了西安，可是手中还有兵，愿意由陕南出兵到湖北，与湘军在武汉会师。
最令人不懂的是直系的江西督军陈光远，也在湖南征求各省同意自治的名单上签了名，并向湖南代表胡瑛表示：湘军“援鄂”并不影响湘赣联防条约。原来陈光远讨好湖南是怕孙中山的北伐军出兵江西，又怕李烈钧进攻江西。后来吴佩孚击退湘军后，陈光远又翻了脸，对湖南出兵乘火打劫。
8月11日赵通电全国建议召开国民大会，讨论省自治和联省自治的问题。赵原意召开“各省联席会议”，后来有人建议赵，要能使吴佩孚同意，不如改换一个名称。早在吴佩孚驻军衡阳时，曾与广东军政府和湘桂两军成立秘密协定，拟在打倒安福政权后，即召开国