然而天下事不如人意者十常八九，奉张的如意算盘在直奉战争的前夕，竟一一落空：
第一、段琪瑞虽与奉方交欢，但不肯出全力为奉系支援，且态度突趋消极，皖系大将除了张敬尧、张宗昌、吴光新跃跃欲试而外，其他的都在天津不作活动。
第二、张勋虽然想东山再起，可是他的旧部久已星散，或则离心离德。皖督张文生表示中立，且与江苏共商保境安民。
第三、孙中山的北伐军受扼于陈炯明，因此李烈钧入赣之师延期出发。
第四、豫督赵倜与奉系暗通款曲，但因事机不密，故吴佩孚得以先发制人，抽调湘鄂军队兼程入豫，以神速的举动解决了心腹之患。奉军虽已入关，却来不及援赵。
至于直系，由于曹氏弟兄自始不愿与奉系兵戎相见，所以吴佩孚有孤掌难鸣之苦，到了4月11日直系在保定召开会议，一致主张抗张拒奉，曹锟且将其主和的兄弟曹锳撤去师长职务，并将直系全军大权交给吴佩孚指挥，而曾经衔命三度出关担任调人的王承斌也率其部下劲旅参加直军，担任西路司令。保定曹氏洛阳吴氏重新团结，力量大增，情势突变。同时由于孙中山的北伐军未能出动，吴佩孚遂得将驻湘的直军北调参战。对河南赵倜的反叛能及时制止，并将陕西方面缩小防线，使兵力能集中运用。
奉系开始时极端强硬，布置亦极周妥，可是在酝酿过程中发生了很多变化，因此态度亦渐转缓和，希望用时间来调整其不利形势。直系开始时虽处于不利情势下，可是慢慢地转向有利，因此士气激昂，利于速战，吴佩孚把握着握这种有利形势，压迫奉军立即作战，以期达到速战速决。
直奉战争，东路在津浦线，西路在沿京汉线及其以东地区进行。
4月29日张作霖到军粮城自任镇威军总司令，以孙烈臣为副司令，即日下了奉军的总攻击令。奉军的东路总司令张作相驻落岱，所属有张作相自兼师长的第二十七师及骑兵集团司令许兰洲、张作霖的卫队旅旅长张学良等部，开战前这路奉军缩短防线撤回到马厂以北。西路总司令张景惠驻长辛店，所属有张景惠自兼师长的奉军第一师及第十六师师长邹芬、第五混成旅旅长齐占九等部。奉军全部约12．5万人。
直军由吴佩孚任总司令，设总司令部于涿州，西路是吴佩孚的第三师在琉璃河、王承斌的第二十三师在固安，东路是张国溶的第二十六师，以及后来加入张福来的第二十四师均在马厂。直军全部约10万人，人数虽逊于奉军，可是都是久经战阵之兵。
在这次战争中，有利于直军的行动如：
（一）海军总司令蒋拯通电助直。海军第二舰队司令杜锡珪通告外交团，声明讨奉。萨镇冰率舰北上，海筹、海容两舰驶秦皇岛，江利、江元、楚同、楚谦四舰驶大沽口，威胁奉军后方。都是壮直军士气和声威，而寒奉军之胆。
（二）张宗昌奉张作霖密令，率领一部分奉军，由海道绕至青岛，拟假道直趋山东，这项行动被鲁督田中玉所察觉。一方面准备迎击，同时发出通电，请外交部向日本交涉，饬令日本青岛防守司令官禁止奉军登岸，因此奉军突击山东的计划遂化为泡影。
（三）苏浙两省宣布保境安民，奉系计划以浙军扰苏的计划亦告落空。
（四）豫督赵倜和他的兄弟赵杰曾有反直反吴打算，可是由于直军的及时控制，使赵氏兄弟的打算烟消云散。
（五）奉军来自关外，与平津人民生活习惯都不相符，因此军民之间颇不协调。
从4月29日到5月3日，直奉双方都捏造战报吹嘘自己胜利。张作霖且俨然以战胜者自居，每天都有告捷电报发表。直军则随心所欲地发布号外，说北京政府已将张作霖免职，且派张锡銮为东三省巡阅使，冯德麟为奉天省督军。
4月29日前，直奉两军前线已有零星接触，枪炮声断断续续，29日双方正式开火，在北京可以听到长辛店传来的隆隆炮声，不少外国人怀着好奇的心情，冒着生命危险前往战地观战。
整个战争，在长辛店、固安和马厂展开，而最激烈的炮火则在长辛店和琉璃河之间，两军屡进屡退，伤亡无算，奉军集中炮火向直军阵地猛轰，吴佩孚则严令长辛店方面直军前敌指挥董政国坚守阵地以疲奉军。
奉军猛攻，直军坚守，这样相持了一天一夜，至30日，吴佩孚下令改守为攻，奉军亦集中火力坚守阵地。
5月3日奉军大炮严重威胁直军阵地，奉军东路统帅张景惠忘却了张作霖半攻半守的命令，向直军阵地前进。这天晚上，吴佩孚探知奉军炮火消耗不少，乃以大队直军猛攻正面，另派精兵数千绕道前进，借田间伏兵引至奉军后方。4日直军径扑卢沟桥，奉军腹背受敌，炮弹也告用罄，同时直军张锡元旅由陕西潼关赶来增援，兼程疾运，抵达良乡宿营。最紧张的时刻吴佩孚亲率卫队在前方堵截，因前方炮火剧烈，有许多直军抵抗不住，往后溃退，吴在战地上予以制止。
5月5日直军增援的张锡元旅加入战斗，直冲到丰台，奉军张景惠仓促由丰台退出，于是长辛店遂落入直军手中。张景惠先退到卢沟桥，直军进逼至奉军东路司令部所在地落岱。中路固安方面奉军获悉长辛店失守，西路奉军溃败，军心大乱，也相继溃退，纷向天津逃窜。
东路奉军颇有小胜，不幸张学良受伤，迨听到西路战事失利，也开始溃退。李景林率部退保良王庄、独流，再退山海关。
奉军各路俱败，张作霖5月4日还赶到落岱，企图挽救颓势，但大势已去，他才匆忙地回到天津下总退却令。第二天即退至滦州，以开平为第一道防线，令李景林扼守，古冶为第二道防线，令张作相防守，滦州为第三道防线，张作霖自己坐镇，昌乐为第四道防线，令孙烈臣扼守。
直军也调整战线，集中兵力，以胥吾庄为第一道防线，由彭寿莘担任，芦台为第二道防线，令穆旅担任，军粮城为第三道防线，由王承斌担任。
长辛店直军大捷，决定了战场的胜利。而长辛店奉军之败，在于奉军第十六师停止战斗，十六师原系冯国璋的旧部，本属直系，师长王廷祯被奉系赶走，改派邹芬继任，奉系把该师摆在前线攻打直军，正和两年前皖直战争时，皖系把原属直系的第十五师摆在前线充当先锋一样，他们都是遇有机会就要倒戈。
奉军战败后，徐世昌于5月5日下令饬奉军退出关外，令云：
“前以直隶、奉天等处军队移调近畿一带，迭经令饬分别撤退，乃延不遵行，竟至激成战斗。近数日来，枪炮之声不间昼夜，难民伤兵，络绎于道，闾阎震惊，生灵涂炭，兵凶战危，言之痛心。特再申令，着即严饬所部，停止攻击。奉天军队即日撤出关外，直隶各军亦应退回原驻各地点，均候中央命令解决，务各凛遵！此令。”
另有一道命令是查办罪魁的，令云：
“此次近畿发生战事，残害生灵，折伤将士，皆由于叶恭绰、梁士诒、张弧等构煽酝酿而成，实属罪无可逭。叶恭绰、梁士诒、张弧均着即行褫职，并褫夺勋位、勋章，逮交法庭，依法讯办！此令。”
查办令未下将下时，梁士诒的左右劝梁通电声辩，梁说：“洪宪之役我也是罪魁祸首，替人受过，今天又何异于前。张江陵答吴尧山说：二十年前曾有一弘愿，愿以身为蓐荐，使人寝处其上，溲溺垢之，吾无间焉，有欲割取吾耳鼻者，吾亦欢喜施与。我虽然不敢自比江陵，但亦心响往之。查办令下，正好放舟海上，回家侍奉老父。”
4日晚有一通长途电话从北京打到天津梁士诒的寓邸，请梁亲听，打电话的不是别人，正是代理国务总理周自齐。周说：褫职令将下，自己代理总理，应该副署，可是深感对不住数十年的老朋友，所以先行奉告，请求谅解。同时劝梁即日离津，怕未来局势变化无法控制。梁答：“谢谢子廙（周自齐）兄，并请代我转谢东海（指徐世昌）。多承关爱，永铭五内。我们两人相交数十年，亲若手足，将来历史上记载说周自齐副署查缉梁士诒，也是政治史的一段趣话呢！”
叶恭绰褫职后，由高凌霨代理交通总长。
7日梁士诒偕叶恭绰、刘展超、郑文轩、王季子、黄质中、李达牧等离天津赴日本。卜居长崎。
吴佩孚击败奉张后，威名大震，蒋方震曾称道吴是中国武将中最杰出之将才。吴在洛阳练兵时，曾将岳武穆的满江红词修改为军歌，慷慨激昂。
直军告捷后，吴佩孚赴军粮城视察（军粮城是奉张大本营所在地）。5月7日由军粮城回到天津。这时他的声望之高，到了顶点，中外旅津人士都纷纷要求晋谒这位秀才出身的吴大帅。吴佩孚接见这些人士时，高谈阔论，昂然自得，听者击节赞赏，五体投地。趋炎附势之徒，颇以能见吴将军为荣，或者则奔走欢告说吴将军厚我！
吴佩孚在天津也曾和许多北洋元老见面，曾做过东三省总督的赵尔巽劝吴勿为己甚，适可而止。吴冷冷地瞟了赵尔巽一眼，傲然说：“从前提拔张作霖的，就是您，胡匪祸国家，追源溯始，您也该负责任，还要替他说情吗？”气得赵尔巽脸都青了。
吴一再催促北京政府下令惩办张作霖，同时自愿辞去两湖巡阅使，因此外间有废除巡阅使制度的传言。
5月10日北京政府下令裁撤东三省巡阅使，张作霖免去本兼各职，听候查办。
5月11日北京政府再令裁撤蒙疆经略使，并根据直系意见，调吴俊升为奉天督军，任命冯德麟为黑龙江督军。
同一天，东三省议会联合会和沈阳各团体通电不接受北京政府罢免张作霖的“乱命”。第二天（5月12日）张作霖在滦州宣布独立，改称奉军总司令，并发表对外宣言：
“……对于友邦人民生命财产力加保护，所有前清及民国时期所订各项条约，一概承认，此后如有交涉事件，请迳行照会滦州本总司令行辕。自本月一日起，所有北京政府订立关于东三省、内外蒙、热河、察哈尔之条约，未得本总司令允许者，概不承认。”
由于张作霖独立，所以北京外交部亦照会各国公使：“今后东三省一切事务，非经中央政府核准，概作无效。”
奉军战败后，日本外相内田发表了对东三省局势严守中立的宣言。《朝日新闻》公开著论反对“拘守中立”。主张进一步作适当的处置。内田宣言本来是外交烟幕，实际上日本的野心分子都主张支持张作霖独立，因为他们不欢喜吴佩孚，吴曾攻击亲日派。东京曾有“张作霖后援会”的组织。
其实，日本的野心家把张作霖也看错了，以为可以收买张作霖，实际上奉张的长处就是他有独立人格和意志，绝不肯做卖国行为。日本人想乘奉张战败自保之际，予以支援，借以换取对东三省有利的代价，日本人实际上是错了，因为奉张虽然战败，但却还有余力自保东三省。
6月4日张作霖自称为东三省自治保安总司令，再一次发表了“闭关自治”的宣言，并派孙烈臣为前敌总司令，杨宇霆为参谋长。杨宇霆字邻葛，是奉天法库县人，日本士官学校的毕业生。
奉军在秦皇岛附近陈庄、牛庄一带曾与直军前敌司令，暂编第一师师长彭寿莘、副司令、第十五混成旅孙岳两部接触。孙岳是曹锟的养子，清末由第三镇炮兵排长一步步提升为管带，因参加滦州起义，几乎被杀，是曹锟暗中通知他逃走的。
直皖战争时是直军的团长，现在则升到旅长了。
从6月8日直奉两军战至13日，奉军一度获得胜利，沈阳且曾举行祝捷大会，大肆宣传，可是直军也在九门口转败为胜。13日沈阳各国领事联合向奉张提出警告，认为榆关战事影响国际列车的安全，张作霖不得已乃接受了英国教士扬古、美国教士普来德为中间人的停战建议。
6月18日直军全权代表王承斌、彭寿莘，奉军全权代表孙烈臣、张学良，在秦皇岛海面英国克尔富号军舰上签订了停战条约，以榆关为两军界线，19日起奉军撤出关外，直军除酌留一部驻防榆关外，大部都撤回原防。关于张作霖的地位问题，北京政府拒绝撤销5月10日的处分命令，东三省省议会仍请张担任东三省保安总司令，并加推孙烈臣、吴俊升为副司令，对北京政府仍然保持独立的姿态。
直奉之战，奉系失败的原因主要是：
（一）张作霖看不起吴佩孚。张作霖虽然比吴佩孚小四岁，可是在北洋系统上，却比吴的地位高多了，张在袁世凯时代就崭露头角，获袁的拢络垂青，地位仅次于北洋三杰（王士珍、段祺瑞、冯国璋）。与曹锟可以分庭抗礼，吴佩孚一直是曹锟下面一员战将，直到衡阳撤兵时才被国人所知。
（二）奉张采取联曹制吴的策略，然而直系究竟是直系，正如曹锟所说，亲戚虽亲不如部下亲，曹锟如不跟着吴佩孚走，自己就失去了凭借。张作霖既已取到东�