东南形势的改变，以及泰军遭遇重大挫折，使得在岳阳楼饮酒赋诗的吴佩孚雄心复起。首要之着是获得孙传芳的支持，秘密派人去接头，反应相当良好。
原来孙传芳虽是王占元的部下，但自王占元为湖北人所驱逐，由吴佩孚接任两湖巡阅使以后，对孙传芳颇为器重，十一年冬天派他援问，就此起家。一则感恩图报；再则孙传芳崛起为五省雄长，但在北洋中的资格毕竟还浅，五省军队的总司令，亦非全为嫡系，能把吴佩孚捧出来，毕竟多一重保障。
其次接头福建的周荫人，得到的答复，更令人安慰，是“惟命是听”四字。有了这两方面的支持，吴佩孚便派人到湖北去征求萧耀南的意见；萧耀南特派二十五师师长陈嘉谟，到岳州去见吴佩孚传话。
“大帅要出山，尽管出山，不过暂时请不要到湖北来。”
“为什么？”吴佩孚很不高兴瞪眼问说。
“因为萧珩帅需要时间。”萧耀南字珩珊，他之需要时间意思是在湖北脚步尚未踏稳。
“我要出山自然是在湖北。”吴佩孚换了一副神色“我问你，你私人对我出山，有什么意见。”
“大帅出山，我个人愿效犬马之劳。”
“好，你回去告诉珩珊，孙馨远、周荫人都拥护我，看他怎么说。”
陈嘉谟回去跟萧耀南商量，认为形势对吴佩孚有利，出山为不可避免之事。湖北的地盘，本来是吴佩孚的；而且第二次直奉战争，并未动员萧耀南，实力得以完全保存，现在亦应该为老长官效效劳了。
“江山本来是他的，他要断送也由他。”萧耀南终于发了迎吴出山的电报。
于是吴佩孚在岳州发出通电：“奉军深入，政象日非。孙馨帅兴师讨奉，坚请东行；福建周樾帅电称，惟命是听；湖北萧市帅率湖北全体将领电称，此次共伸大义，欲动人心，首资号召，拟请钧座出山，希早命驾等语。救国锄奸，岂容袖手，兹定于二十一日赴汉，特先奉闻。”
第二天就是十月二十一日，吴佩孚乘舰东下，萧耀南率领全省文武，在汉口码头上迎接，与上次吴佩孚过汉口时的情形，炎凉不同。迎入行辕开会，首先讨论名义，有人提议用“十四省讨贼联军总司令”；吴佩孚还嫌十四省的范围太小，删去此三字，称为“讨贼联军总司令”这个“贼”字指奉张，亦指为吴佩孚恨之切骨的冯玉祥。
这一支讨贼联军，由湖北、四川、贵州三省及一部分广西军队组成，共分十路。司令部的成员，十分煊赫，参谋长是日本士官第一名毕业，由日本天皇赐刀，以后又赴德国留学，公认为军事学权威的蒋方震；秘书长是当过广西省长的张其鍠；总参议更足壮吴的声势，是鼎鼎大名的章太炎；此外外交处长张志潭、交通处长高恩洪，都是总长级的人物。原来的参谋长张方严降为高参；杨云史屈居秘书帮办。如果吴佩孚讨贼成功，掌握政权，这个司令部立刻就可以改成军政府。
其时张作霖亦在积极作因应之中。他深知吴佩孚的“讨贼”主要是对付倒戈的冯玉祥，而冯玉祥的国民军对奉军的威胁及敌意，日深一日。在打倒冯玉祥这个相同的目标之下，一旦采取讲和的手段，吴佩孚要他化敌为友，联合讨冯，是相当有把握的。因此，他的军事部署，表面对付吴佩孚的主力孙传芳，实际上却完全以冯玉祥为对象。
张作霖预备组织三个军团，以李景林为第一方面军军团长；张宗昌为第二方面军军团长；统率京榆驻军，亦即奉军全部精锐的是第三方面军，军团长自然是张学良，而“张不离郭、郭不离张”副军团长非郭松龄莫属，这个军团预备改编为三个军，番号亦编好了，是第八、第九、第十；军长内定由姜登选、韩麟春、郭松龄担任。郭松龄其时在日本观操，张作霖急电召回。郭松龄一回到天津，随即称病住进义国医院。
原来郭松龄已经决定要倒戈了。郭松龄对张作霖之宠信杨宇霆，非常不满。郭杨势不两立，在奉军中是公开的秘密，但由于老帅的威望，少帅的感情，郭松龄一直隐忍未发，及至杨字霆将姜登选挤到了安徽，姜登选再一挤，把他的安徽督军挤掉了。如果杨宇霆能在江苏站住脚，倒也罢了；或者杨宇霆，卸甲丢盔，逃回关外，老帅加以惩处，也还能平服军心，谁知杨宇霆不但安然无恙，而且受宠如故，素来气量狭窄的郭松龄，如何咽得下这口气。
本来郭松龄虽与冯玉祥站在敌对的地位，但两家的眷属，却有往来。郭松龄的妻子韩淑秀出身燕京大学，而冯玉祥的妻子李德全亦在北京念书，与韩淑秀是旧识。两家“老爷”驻区相近，时有走动，所以郭松龄对冯玉祥的情况是相当了解的。
在日本观操时，国民军亦派有军官团，领队是韩复榘，跟奉军观操团，住在同一座旅馆，因此常有接触。郭松龄的亲信也是同学的高纪毅，知道郭的心事，极力建议郭冯合作。郭松龄接纳了建议，便由高纪毅跟韩复榘初步联络，获得有利的反应后，郭松龄才与韩复榘正式密谈。
在这次谈话中，郭松龄向韩复榘透露了一个秘密，奉军进攻国民军时，将由日本供应军火。郭松龄表示乞援外国，掀起内战，他们不赞成；如果奉军有进攻国民军的命令，他不会听从，甚至倒戈。
及至郭松龄接到召回的电报，向韩复榘重申前言。所以郭一动身，韩亦兼程回国，到包头向冯玉祥秘密报告。冯玉祥不肯相信，因为郭松龄跟张学良的关系太深，如说郭会倒戈反奉，在他觉得是件不可思议之事。
因此冯玉祥便说：“既然郭茂宸自己提议，就请他亲笔写一个类似条约的文件，派两名亲信送来。”
韩复榘赶到天津，传达了冯玉祥的要求；郭松龄便在义国医院的病房中召集亲信会议，除了高纪毅以外，另有第二旅旅长刘伟；第六旅旅长刘振东；机要秘书李愈三、及郭松龄的胞弟郭大鸣。
会中大家一致支持郭松龄与冯玉祥合作的决定，认为奉军精锐，尽在掌握；关外的留守军，不足为敌，打回沈阳，决无问题。
于是由郭松龄亲自执笔，写了一个密约条款，以冯玉祥为甲方；郭松龄为乙方；李景林为丙方，但此密约，仅须甲乙双方签字，便即生效。
这个密约一开头，先捏造张作霖已与日本帝国主义签署了一个企图进攻国民军的祸国条约，以此作为反对的理由。条款主要内容计三点：第一、奉军进攻国民军时，郭军即倒戈相向，回攻奉军。第二、郭部出关后，专门开发东北，不问关内之事。第三、直隶、热河请划归李景林。
显然的，第一点是一个借口，奉军不必进攻国民军，郭松龄亦可起兵出关；而冯玉祥便可以奉军进攻为由、出兵助郭。第二点是表示弃绝张宗昌的部队；第三点则为免除李景林制肘的后顾之忧。
这个密约由李愈三、郭大鸣送到包头，冯玉祥表示满意，只加了一条，郭松龄的军队统称为东北国民军，然后就在密约上签了字，交原使者带回。
十一月二十六日郭松龄在滦州一家火柴公司楼上，召集团长以上会议，首先由郭松龄讲话，历数第二次直奉战争、官兵死伤惨重，但至今对遗属未发一文抚恤金，孤儿寡妇都靠同袍接济。当然这都要归罪杨宇霆，说到“上将军”如何宠信杨宇霆，以及杨宇霆如何弄权祸国时竟忍不住痛哭失声，好久不止，只好扶他到别室休息。由韩淑秀继续讲话。
“今日之事，是为东三省人民，也是为我们整个团体，决非任何个人之事，希望诸位先生信任你们的军长，跟着他走，我们只有前进，不容后退！”团体是当时军阀称自己的派系习用之词。
郭松龄所掌握的奉军精锐，计有六个步兵师、两个炮兵旅、一个骑兵旅、以及辎重工兵等，一应俱全。他的办法是，策动亲信旅长夺位，将忠于老帅的第五师长赵恩臻、第七师师长高维岳；第十师师长刘恩铭；第十二师师长裴春生扣押起来，然后送交李景林看管。李景林因为有直隶、热河两省地盘，而且自此可以不受国民军的压迫，自然乐于替郭松龄作“看门狗”
在十一月计二日，召开军事会议，正式宣布起兵以前，郭松龄先在义国医院，找了亲信来安排人事，决定组织四个军，军长是刘振东、刘伟、范浦江，以及旗人霁云，原来都是旅长，飞跃而为军长，无木大感兴奋。另外两名亲信，魏益三是先遣军司令；彭振国是车站警备司令。此外炮兵第一旅旅长邹作华，郭松龄打算派他为参谋长，却为大家一致反对，因为邹作华跟郭松龄不和，是大家都知道的事。
及至郭松龄情绪稳定后，复又出席，宣布退回关外，专心从事东北建设，永远不再参与内战的决心，要求大家签名赞成。然后发表东北国民军总司令部的人事。又派他的秘书齐世英，专诚邀请黎元洪的秘书长饶汉祥来草“露布”
通电一共三通，最重要的，当然是“张上将军钧鉴”那一通，劝张作霖退休，由“英年踔厉，识量宏深，国倚金汤，家珍玉树”的张学良来主省政，郭松龄自愿“竭诚匡功”；那时“三省富强，四邻和睦”张作霖大可“婆婆岁月，赏玩烟霞”
通电之后，继以行动，先遣军司令魏益三，率兵两团，偃旗息鼓，潜出山海关，预定第二天一早占领沈阳，第一团已顺利出关，第二团却遭遇了奉军张作相十五师的截击。原来张作相的儿子张廷枢时任团长，在深州开会时，悄然溜出会场，向他父亲告密，因而破坏了魏益三的突袭计划。
在此之前，郭松龄在义国医院召开第五次“榻前会议”时，住在天津曹家花园的张学良，已经得到密报；深夜十一时下达了紧急集合的命令，他的卫队是一个骑兵连，住在河北王义客栈，大多数都在侯家后的寨子里饮酒作乐，只集合了六十五个人，连同总部的军法处长朱克沐等人，上了火车，到达沈阳时，正好张作霖接到郭松龄的通电，一见张学良，跳起来嚷道：“好！小六子，你来干！我让给你干就是了。”
张学良不知道是怎么回事，只是发愣；张作霖仍然跳脚大骂，在座的黑龙江督办，外号“吴大舌头”的吴俊升，劝着他说：“大帅，你不能怪汉卿。郭鬼子造反，总要借个名目，他说拥护汉卿，哪里是真的拥护，汉卿一定不知道这件事，如果知道，先就跟郭鬼子拚命了。”
郭松龄生得人高马大，又跟张宗昌的白俄军那样，爱穿粗布野战服，所以外号“郭鬼子”吴俊升的话虽不错，但木本水源，凡事总有个起因，如果不是张学良过分信任郭鬼子，何致于奉军精锐，全归他人掌握？张作霖越想越气，复又跳起来骂道：“小六子，我跟你今生父子，前世冤家，你看你交的好朋友！”
“我跟郭茂宸，今生朋友，来世冤家。”张学良说完，转身就走。
张作霖大喝一声：“你去哪？”
“我到前方去看看。”
“汉卿，汉卿！”吴俊升拦着他说：“咱们先商量商量。”
知子莫若父，张作霖知道张学良颇得军心，一到得前方，很可将被郭松龄胁从的部队拉了回来。再说，变起肘腋，不叫自己的儿子上前方，又怎能叫他人去拚命？所以他又拦住吴俊升说：“让他去。”
等张学良一走，张作霖自己来调兵遣将——杨宇霆因为郭松龄指名要消除他，为了缓冲局面起见，征得张作霖的同意，避往大连；同时打算着到关东军方面活动。因此，张作霖不得不自己来发号施令。
可是，环顾北大营，将在哪里，兵在何处？“完了！完了！”六神无主的张作霖勉强定下心来，筹划应变的措施，跟五姨太秘密商量，决定将能够调动的现款两百七十万元，寄存于“满铁奉天公所”作为逃亡日本的准备。
由于魏益三的计划受阻，郭松龄倒戈的战事，不得不由山海关开始，一路势如破竹，首先被打垮的是张作相的第十五师；伤亡惨重，部队长只剩下一个少校副营长。接着是韩麟春、游金纯、汤玉麟的部队，亦都不支，或退或降，俱告瓦解。
在政治方面，冯玉祥、孙传芳分别通电响应，李景林亦有通电，声明与奉天脱离关系，并将京奉运输总司令，杨宇霆的亲信常荫槐，以及兵站司令张宣等人扣留。此外梁启超的研究系，乘时投机；梁启超的儿女亲家林长民随同郭松龄夫妇行动。策划张作霖垮台以后的奉天政局。
不过，尽管张作霖坐困危城，已在作逃亡之计；张学良在秦皇岛旅顺一带栖栖皇皇；热河的阚朝玺亦有反奉的趋向，看来郭松龄的气势如虹。但奉军中亦有冷眼旁观的人，认为郭松龄能否成事、颇成疑问，因为他起兵倒戈的动机，值得怀疑，尤其是杀姜登选一事，强烈地显示出，郭松龄只是气量狭窄，志在报复私怨。
当十一月甘二日，郭松龄在深州召集军事会议时，恰好姜登选乘专车出关路过深州，即将到站，郭松龄的副官长马之福。向郭松龄请示，要不要去迎接？
马之福的意思是，郭松龄去一接，姜登选自然要在滦州住一晚，就此加以软禁。但郭松龄只是关照：“你代表我去请他下车住一晚，明天早晨我去看他。”
等马之福照实转告，姜登选这样答说：“不必了！我跟你们军长沈阳见吧！”
姜登选不上钩，马之福只好硬拦了，交代站长，姜登选的专车，不准开行；同时驰报郭松龄，将姜登选硬请下车，安置在车站前面的一处民房之中。
至此姜登选才知不妙，一夜未曾合眼；第二天一早写了封信给郭松龄，要求会面；回信是一时无暇，容后再说。这样软禁了五天，姜登选被杀；事先有人劝郭不要杀他，而郭松龄不听。因为第一、姜登选挤掉了他的安徽的地盘；第二、曾任黄兴的参谋长的李书城多嘴，将姜登选所说的，第二次奉直战争时“在山海关没有杀郭松龄，实在是他的运气”的话，告诉了郭松龄。新仇加上旧恨，便不惜处决了在此役中完全无辜的旧日同袍。
就从这一天开始，局势逐渐发生了变化，首先是张学良与郭松龄的日籍顾问宇田与仪战，经过日本方面的安排，在滦州接触，试图找出停战的途径。张学良要求先行停火，再商善后；而郭松龄提出的条件是：山东归岳维峻、直隶归冯玉祥、热河归李景林，郭松龄本人回奉天，执掌东北军政。彼此的距离，南辕北辙；张学良知道与郭松龄已无可再谈，便由秦皇岛转赴旅顺，偕同杨宇霆回沈阳，决心与郭松龄以武力周旋到底。
其次是冯玉祥与李景林发生了矛盾。当郭松龄倒戈的通电一发表后，冯玉祥便加强了对北京的控制。冯玉祥一向厌恶“安福系”因此权倾一时的京畿卫戍司令鹿钟麟，逮捕了安福系的要角曾云需与姚震，同时派国民军分别驻守车站及东交民巷，以防要人避匿。
见此光景，段祺瑞大感威胁，一面改组执政府，让梁鸿志解职，改派许世英接任；一面派黄郭与许世英赴张家口向冯玉祥征询时局意见。结果冯玉祥发表“拥护执政，始终不渝”的通电；而段祺瑞则以改组执政府作为回报，一向担任段冯之间桥梁的贾德耀，出任陆军总长；由张作霖推荐的代理农商总长莫德惠请辞照准。
但冯玉祥却希望他留任，更希望他留京。原来冯玉祥之跟郭松龄合作，多少有些投机性质，他不以为郭松龄能顺利成功；也不以为张作霖会，败涂地，到得相持不下时，他可能会发生举足轻重的作用，所以想留住莫德惠，作一道他与张作霖之间的桥梁。
为此，冯玉祥特派他的挂名参谋长，清帮大字辈的张树声，向莫德惠致恳切挽留之意。莫德惠跟他的机要秘书’王冠吾商量，认为张作霖对郭松龄倒戈，李景林的脱离，所受的刺激甚大，此时最需要的是精神上的支持，莫德惠回东北以示与张作霖共患难，对他是一种极大的鼓舞。不过对冯玉祥不必表示得太明显，不妨虚与委蛇。此外，王冠吾安排莫德惠与段祺瑞作了一次秘密的会晤，段祺瑞保证，除非郭松龄能彻底控制关外的局势，他不会发表他的东北职务。同时请莫德惠转告张作霖，尽可能坚持，切勿轻言离开沈阳。
不过，北京的治安，鹿钟麟完全掌握；冯玉祥既然要留莫德惠就不会轻易让他离开北京。所以想了一条“喧宾夺主”之计，由王冠吾带着一班莫德惠的“班底”离京赴津；而莫德惠便化装为“班底”之一，安然通过鹿钟麟派在前门车站的便衣侦探的耳目。一到沈阳，张作霖大感欣慰，特开帅府仪门迎接，大张盛宴。
宴后密谈，张作霖最关心的是李景林的态度，他希望李景林之通电声明与东北脱离关系，只是权宜之计。基本上仍倾向奉天。为此，特派许兰洲为密使，到天津活动。许兰洲的行囊中，除了正金银行的四十万元支票以外，还有李景林老母的一封家书，告诫李景林善自为计，莫入歧途，希望能策动李景林来个“反倒戈”郭松龄如果后路有变，沈阳方面再发动反攻，前后夹击，形势就大为不同了。
当然，李景林的态度重要，还不如日本态度的重要。当所谓“奉变”初起时，张作霖便找他的日籍顾问问计。张作霖的日本顾问有好几个，但最亲密的是，由日本陆军参谋本部推荐的，前关东军高级参谋松井七夫；他的哥哥便是日本陆军“少壮派”要角之一的松井石根。在张作霖准备逃亡时，松井七夫将五姨太及张作霖的年幼子女，都接到他家里去住，同时建议张作霖分两条路线求援于日本，一条是外交路线，活动日本驻奉天总领事吉田茂，致电外相币原喜重郎要求支持张作霖，结果是加藤内阁决议，对郭松龄发出警告，不得损害日本在东三省的利益。这个警告，便成了日本在华外交、军事、经济各方面驻在人员，处理“奉变”的行动纲领。
另一条自然是军事路线，除了由松井七夫直接致电参谋本部要求出兵干预以外，最重要的活动对象是“关东厅长官”儿玉，及关东军司令官白川。不过，日本军方初期对张作霖的军事支持，并不积极，只是由关东军指派驻辽阳的第三十九联队所属的一个大队与一个工兵中队，进驻沈阳；以及关东厅增派“巡查”一百余名，担当沈阳城内城外的警备而已。
十二月四日这一天，对郭松龄、张作霖来说，都是个大日子，郭军前锋占领了出关第一要地的锦州；而就在日本阁议对郭松龄提出警告的这一天，据说关东军司令白川到了锦州，以日军不干涉郭军行动为交换条件，要求郭松龄承认张作霖与日本所订的各种条约：郭松龄表示不能接受，白川拂袖而去。
又据说：郭松龄到达锦州后，热河都统阚朝玺曾派他的参谋长邱天培来谈合作，阚朝玺的条件是，保全张作相吉林督军的地位；阚朝玺自行进攻黑龙江，取吴俊升而代之；奉天则归郭松龄。可想而知的，郭松龄必然拒绝。
这些“据说”都来自郭松龄方面。事实上内外形势都已转变为对张作霖有利。在内，冯玉祥与郭松龄的密约，在河南的国民军并不知道；当然也不会知道直隶、热河的地盘已划归李景林这一协议，所以国民二军、三军的邓宝珊与徐永昌两部，仍着着向李景林的防区进逼；同时冯玉祥派张之江率领三旅之众在丰台待命。准备支援郭松龄的计划，亦被李景林误会为将与邓徐两军，合击会师。这一年多来，李景林饱受国民军的庄迫，至此认为忍无可忍，决心与国民军见个高下，重金礼聘德国军事顾问，在北仓一带，秘密构筑有电网与地雷的新式防御工事。
这一下，当然导致了李郭关系的根本变化，由“中立亲郭”转而为“拒冯远郭”；十二月二日发表了表明立场的通电。
他的立场是“职司守土、保卫地方，此役倘有对于直隶扰害秩序、破坏和平者，惟有率我健儿、捍我疆土，人不侵我，我不侵人。”明明白白地表示，直隶是他的地盘，不容许国民军侵入。当然，他作此强硬的表示，须有所恃，首先想到的是张宗昌，论公，直鲁唇齿相依，是一起磕过头的弟兄，所以“直鲁联军”的新番号，很快地出现了。
十二月三日，李景林所部与国民二军邓宝珊部，在直隶大城进行了历时一个半小时的侦防战，正式开火决裂，接下来便是第二天李景林发表痛低冯玉祥的通电。同时李景林对郭松龄亦采取了行动，一面释放郭松龄交给他看管的奉军将领高维岳等人；一方面隔断了冯玉祥与郭松龄之间的通路。
这对郭松龄还不是太大的打击；打击最重的是，关东军司令白川向奉、郭双方提出书面警告，表示两军行动如果扰乱到南满铁路两旁的附属地带，及日军守备区时，关东军职责所在，必要时将采取武装行动。换句话说，郭松龄的部队，不准越过南北向的南满路及西东向的京奉路之交叉点的“老道口”这个交叉点在沈阳以西；倘不能逾此点而东，即无法到达沈阳，无异为张作霖加上了最后的一道保障。
郭松龄当然要提出交涉。由他的驻京的胞弟郭大鸣转托黄膺白，向日本驻华公使芳泽谦吉严重抗议，理由是过去奉军入关，都是畅通无阻；即就眼前而论，南满路向亦正在运吉、黑两省的奉军南下支援，何得独独限制郭军？这样说法，理直气壮；芳泽表示，果真郭松龄能打过辽河，乘胜往沈阳追击，应该没有问题。
问题是郭松龄能不能打过辽河？张学良集结残部，在锦州拒郭的一战，打得并不好，只靠率部退过大凌河时，破坏了铁桥，暂时阻遏了攻势，未来情况如何，颇为难说。因此张作霖特地于十二月八日，在沈阳召开军事会议，检讨局势。
通盘检讨下来，仍旧大有可为：第一、有关东军帮忙；第二、李景林态度转变，尤其是李景林与国民军已经开火，如果直鲁联军能够击败国民军，必然挥师山海关，自郭军后路逆击，郭松龄有天大的本事，亦难逃束手就擒的命运；第三、郭军仓猝出关，冬天的装备不够，北国冰封，天气严寒，大大影响了郭军的战斗力及士气；第四、京奉路的铁轨，破坏得很厉害，郭军工兵团，修一段走一段，进展很慢，最狠的一着是，张学良接受了他的好友，也是英文老师，任职京奉路局的英国人爱尔顿的建议，将沿线水槽完全破坏，火车行驶全靠水火相济，缺水跟缺煤同样动弹不得；拉民亻夫挑水，费时费事，自然限制了部队的行动；第五、吴俊升的骑兵，虽以中东路的俄国人，间接响应郭松龄，拒绝载运，但已入吉林然挑南，正越过科尔沁大草原，兼程南下“黑龙江马队”自乾隆年间的海兰察，一直到清末的僧格林沁，赫赫有名，这支生力军一到，可使战局改观。
但最重要的一点是，张学良个人的号召。郭松龄回师出关，是打的张学良的旗号，而正面抗拒的正是张学良本人。这一来郭松龄便变成师出无名了。而旦，张学良驭下有恩；郭军将士，愈逼近老家，便愈觉得自己的行为合不合中国军队传统中所强调的“忠义”二字？因此张学良在前线喊话的效果很大，郭部团长以上的军官几乎个个在军用电话中，与张学良诉道衷曲。只要时机一到，楚霸王四面楚歌、兵败孩下的故事，立即可以出现在郭松龄的身上。
因此，在这一次军事会议中检讨下来，重新鼓舞了奉军的信心，决定整兵再战，全部兵力计有张作相所部两万八千；游金纯军八千；汤玉麟四千；张学良的总预备一万，合计五万人。主要装备有野炮一百门。作战方针是坚守辽河，以待局势的变化。张学良除在辽河左岸，筑了一道一英里长的战壕以外，另外修筑了一条接连京奉路的轻便轨道；他的司令部就设在装甲火车中。
在内外各种因素牵制之下，郭松龄竟有些举棋不定了。本来他的左翼已占领了营口，如果由张作霖的老家海城北上，经辽阳，柑沈阳之背，出这一支奇兵，以张作霖的后防空虚必然震动，可以导致其崩溃。但郭松龄顾到，第一、路程较远；第二、这条进攻路线正沿着南满铁路，可与关东军发生冲突——他新请到的秘书长梁启超的儿女亲家林长民，可能提出与关东军冲突，十分不智，主张循外交路线，取得日本谅解的建议，因而在军事上，失去了制先的机会。
见此光景，反而促成了日本军方见机而作，准备打落水狗的计划。其时沈阳人心浮动，老百姓纷纷避难，西关的火车站中，挤满了老弱妇孺，张作霖每天开会，除了大骂“郭鬼子”、“小六子”以外，束手无策。于是在辽阳的关东军进驻沈阳，派出部队在沈阳八个城门口站岗，代为维持秩序。
这样到了十二月十五日，日本方面有了新的行动，一方面在朝鲜日军有一部分渡鸭绿江，向奉天移动；另一方面，关东军司令白川，派了一个叫安河内的中佐，向郭松龄的外交代表齐世英，提出了第二次警告，南满铁路两侧二十华里，亦即十二公里以内，两军不得交战。
这是不平等条约上所规定的，日军从来没有执行过；一旦执行，对郭松龄构成了严重的抵制，因为自南而北的公路，是与南满路平行的。郭松龄无法利用这条公路就什么也谈不上了。
但郭松龄仍旧相信芳泽谦吉的话是有效的，只要奉军一垮“乘胜追击”通过南满路不成问题。事实上，他亦只有这条路好走，因此，集中五万兵力，野炮二百四十门、迫击炮一百五十门、重机枪一百五十挺，沿京奉线由沟帮子、大虎山一直开到巨流河西岸的新民屯，与张学良指挥的守军，隔河对峙——这一仗打起来，是一场其硬无比的歼灭战。
不过，这只是郭松龄的想法，他的部下并不同心。其时他的部队中，已流传了一句口号：“吃老张家的饭，不打老张家。”同时郭部高级将领，邹作华、高纪毅、张振鹭、刘伟、范浦江等人，在新民屯透过奉天总领事古田茂所派的代表，与张学良取得了联系；甚至还利用日本的通讯设备，将郭松龄的部署通知了张学良。
在战线上，郭军高级将领，自亦有很“实惠”的支援行动，最明白的一个现象，由河面打过来的炮弹，落地不爆炸；当然是指挥炮兵的邹作华动了手脚，将炮弹的引信秘密拆除，或者把螺丝松开，引信与炮弹的接触不良，自然无法引爆。
话虽如此，张学良还是一步也不敢放松，连官长都抬了机关枪上前线。其时巨流河已经结冰，怕郭军履冰而过，直扑十里以外的沈阳，所以士兵除白天作战以外，晚上还有一个任务便是用铁铲凿冰，使河面的坚冰，不至连成一片；沈阳城内每家皆备的铁铲，一齐都被征用。
这样到了十二月甘一日，吴俊升所派援兵的先头部队，骑兵四团由骑兵第七旅旅长王永清率领，星夜急驰长驱南下，侧击东西对峙的郭松龄，而且目标对准新民西南的白旗堡，打算截断郭松龄的归路。
这就到了郭松龄唱“霸王别姬”的时候了。二十二日晚上，他在一家粮店召开军事会议，表示将亲上前线督战，作背城借一之计。出席的高级将领，个个面现疲惫之色，有的瞠目不语；有的索性低下头去，仿佛倦极入梦。见此光景，郭松龄长叹一声，宣布散会。壁上的挂钟，嘡嘡地打了十二下，又是新的一天开始了。
会后郭松龄接到密报，他的部下由参谋长陈在新出面，代表邹作华、高纪毅等人，正式经过新民日本领事分馆向奉天接洽投降，提出的条件是：第一、赦免郭松龄；第二、保护投降者的生命财产。新民分馆通知了总领事吉田茂，他亲自向张作霖接头，得到的答复是：第二条接受；第一条拒绝。理由是奉军的将领反对。
郭松龄发觉已为部下出卖，就只能私下逃亡了。新民是七路交会的要冲，正东，越巨流河经张学良司令部所在地的兴隆店，而达沈阳；这条路郭松龄想走而走不通，自然不必再谈。东南也是越巨流河，经大民屯至辽阳，亦无从考虑；西南到白旗堡，变成自投罗网。他唯一能走一条路是沿着巨流河西岸往南，希望能与占领营口的部队会合，性命可以保住一半。
依照郭松龄的意思，打算骑马逃走，但韩淑秀不会骑马，他又不忍抛弃夫妇兼“同志”双重身分的结发之妻。仓猝间只好弄来一辆大车，连同林长民、饶汉祥，一起在凌晨二时，于大雪纷飞中，匆匆上路。
这时，军用电话中传来天津的消息：十二月十八日，张之江下令总攻击，与李景林的部队，激战了三天三夜；张之江大概读过唐书，知道“雪夜入蔡州”的故事，命令士兵反穿老羊皮袄，利用雪色作掩护匍匐前进，竟能穿过对方防御工事的铁网，一直冲到敌军阵地前，猝然发动攻击，李军大败。十二月甘二日李景林退入天津租界；部队则往德州方向撤退。
天津局势的变化，如果早几天发生，作为郭松龄盟友的冯玉祥占了上风，或许在声势上，能对郭军产生呼应支援的作用；同时留守山海关，防阻李景林，对郭松龄最忠心的魏益三，亦可进兵支援，但此刻对郭松龄来说，竟似讽刺他的兵败如山倒了。
十二月二十三日，在大风雪中走了一天，入夜到了辽中县属的老达房地方，得到警报，外号“天下好”的王永清，已率领骑兵追赶下来了。郭松龄虽有卫队，但都是些年轻魁梧，虽有训练、却无战斗经验的新兵，决难抵挡。事急之际，只有先觅地躲藏，等王永清冲过去之后，再思脱身之计。
于是找到一家富农家的地窖，郭松龄夫妇与饶汉样错缩在里面；林长民不愿“入地”仍旧住在大车里面。将近午夜，人马喧阗；王永清的部队到了，他可能已获得情报，下令搜索。林长民急急下车逃命，却为流弹所击毙；郭松龄夫妇被捕；饶汉祥却比林长民来得幸运。奉军看是个窝窝囊囊的老头子，一身又脏又臭，还长了一头的癣，当时就把他放掉了。
郭松龄夫妇被解到老达房西北的白旗堡。作为张作霖讨逆军总司令吴俊升；吴部的第十七师师长万春麟；以及王永清的直属长官第十四师师长穆春，都已赶到白旗堡；对于如何处置郭松龄当然要向张作霖请示。
吴俊升接通了沈阳的电话；张作霖说道：“把他押回来！我倒要问问他，为什么造反？”
放下电话，吴俊升沉吟不语；万福麟问知结果后，主张遵令办事，将郭松龄移交给张学良，可是吴俊升不同意。
“郭鬼子一见了汉卿，就死不掉啦！不能留着他。”
吴俊升作此决定当然知道杨宇霆会支持他，张作霖怪罪下来，有杨宇霆在，不必担心。不过，虽说不能留着他，还是留了半天；将郭松龄双手钉在大车车厢上、游街示众，让所有的奉军看看造反者的下场，颇有明朝末年处置失律叛逆之将“传首九边”以励军心的味道。
张学良得知郭松龄夫妇游街以后枪决的消息，对吴俊升颇致不满；但张作霖却认为处置明快，着实可嘉。至于投降的郭军高级将领，由新民日本领事分馆护送到沈阳以后，杨宇霆主张从严处置，为首者一律枪决。但张作霖左右手之一的张作相不以为然。
“郭鬼子闹出这么大的乱子，也是有原因的。我们不能不先自己反省一下，自己也有错处。现在郭鬼子已经枪毙了，其他的人就不必罗织在内。如果一开杀戒，都是东北子弟，我们要结多少冤家？”他提出建议：“善后工作，不妨交给汉卿，让他从宽处理吧！”
事实上，张学良早就由兴隆店渡河，在新民作了宽大的处置；一并且收容了在锦州、绥中等处的残部。除了在山海关的炮兵第二旅魏益三所部，改投了冯玉祥以外，第三、四军团的实力，并没有受到重大的伤害。
善后工作告一段落，张学良才回到沈阳。这场大祸都是他用人不当闯出来的，料想他父亲不会轻易饶他；所以大家商量好，由他的父执张作相、吴俊升陪着他去请罪，一见了面，自然是双膝着地、长跪不起。
张作霖一半是气愤，一半也是做作，拔出手枪、连哭带骂：“你这小子，结交匪类，阁下滔天大祸，要你老子的命不说，害苦了弟兄，害苦了东三省的老百姓。不亏你老子还有几位过命的老弟兄帮着，咱们早就死在郭鬼子手里了。今天我不毙了你这小子，对不起老弟兄，对不起东三省的老百姓。”说完唏哩哗拉地拉手枪的保险闩。
唱这出“辕门斩子”作陪配角的张作相、吴俊升，赶紧跪下来为张学良求情“大帅饶了他吧！不然咱们不敢起来。”
“罢！罢！”张作霖扔下手枪去搀扶两位老弟兄“看两位大爷的面子，暂且饶你的小命。从今以后，不准你再胡闹”
郭松龄的职务改由韩麟春继任，他亦照郭松龄一样，综理三、四两军的军务。张学良暂且韬光养晦、啸傲烟霞——在郭松龄倒戈那段期间，张学良心力交瘁，一天睡不到两三小时，不能不靠鸦片来支持，就此抽上瘾了。