这次战争又一次刷新了民国以来内战规模的记录，双方近二十万大军糜集于京津一带，你来我往，战况空前。
奉军总部设在军粮城，张作霖自任镇威军总司令，孙烈臣为副司令，坐镇沈阳，杨宇霆为参谋长。部队分成东西两路，沿北京西南长辛店迄固安、永清、天津以西信安镇以达静海、马厂，跨京汉、津浦两铁路线，战线长达240余里，对直系大本营保定形成包围之势。
兵力部署为：
西路军总司令
张景惠
设司令部于长辛店
第一梯队
张景惠
奉军暂编第一师张景惠第一旅张乐山卢沟桥
第二旅梁朝栋长辛店
第二梯队
邹芬
驻西苑
陆军第十六师邹芬第三十一旅缪承良
第三十二旅齐占久
第三梯队
郑殿升
驻通州
奉军第二混成旅郑殿升
暂编奉军第九混成旅牛永辅
东路军
总司令
张作相
设司令部
于永清
第一梯队
张作相
驻永清
陆军第二十七师张作相第五十三旅赵明德
第五十四旅李振声
陆军第二十八师第五十五旅张作涛
暂编奉军第六混成旅鲍德山
暂编奉军第五混成旅齐恩铭
第二梯队
张学良
驻信安镇
暂编奉军地三混成旅张学良
暂编奉军第八混成旅郭松龄
暂编奉军地四混成旅蔡本平
第三梯队
李景林
驻马厂
暂编奉军第七混成旅李景林
暂编奉军第一混成旅阚朝玺
陆军第二十八师之骑兵第二十八团
骑兵集团
许兰洲
奉军骑兵第一旅张荣
黑龙江骑兵第二旅张奎武
巡阅使署卫队骑兵团王永清附独立机枪连
直军由吴佩孚统一指挥，对以前的防御性作战计划重新部署。
东路军
司令
彭寿莘
陆军第十四混成旅彭寿莘
陆军第二十六师之五十一旅
直隶第五混成旅商德全
在子牙河岸白洋桥一带构筑工事，准备向马厂、唐官屯、陈官屯、静海、小站一带进攻。
西路军
司令
孙岳
陆军第十五混成旅孙岳
直隶补充团牛起顺
陆军第十二混成旅葛树屏
陆军第十三混成旅董政国
在琉璃河南岸布置阵地，准备向窦店、良乡、大昌庄、长辛店一带进攻。
中路军
司令
王承斌
陆军第二十三师王承斌
陆军第三师之第六旅杨清臣
陆军第二十四师张福来
准备向霸县、固安、永清一带进攻。
后方司令
冯玉祥
驻郑州
陆军第十一师冯玉祥
陆军第二十师阎治堂
陆军第三师之第五旅
陆军第八混成旅靳云鹗
陆军第四混成旅张锡元
湖北第四混成旅刘佐龙
陕西陆军第一师胡景翼
后张锡元部，十一师之二十一旅李鸣钟部增援长辛店。
为保德州兵工厂的安全，除原有第二十六师五十二旅驻防外，又调山东第五师之孙宗先旅进驻德州桑园。
从兵力对比上看，奉军入关部队约12。5万；直军前线部队约六万余人，劣势明显。重武器方面，奉军拥有各型火炮150门，重机枪200挺；直军火炮100门，重机枪100挺，还有飞机两架，但对于作战来说作用不大。直军还有渤海舰队的六艘军舰，开战之后曾经开往秦皇岛及天津大沽口，但是由于《辛丑条约》的限制（不许中国在京奉线及沿海地区采取军事行动），亦未发挥作用。
在正式交战前，两军的战线迅速逼近，并发生数次摩擦。4月26日开始，直军首先发动进攻。当日凌晨三时半，吴佩孚下令各军前进，由琉璃河、固安、永清三路同时进攻，兵锋直指天津。27日夜，东路直军在姚马渡进击奉军李景林部，交战一昼夜，奉军占领姚马渡及南赵扶等地。28日拂晓，双方在静海、马厂、良王庄均有接触。用日东路直军第二十六师由马厂进至唐官屯，与文安、霸县、固安、琉璃河连成一线，并进攻青县。奉军李景林率两混成旅之兵力反攻，直军败退大城，奉军继续前进，相继占领大城、霸县。吴佩孚乃借机向全国发出通电，指责奉军首先进攻。吴佩孚又委派张福来率第一混成旅，张国熔率本部二十六师一旅围攻马厂，且准备纠集各部骑兵由京东出通州、蓟州，奔袭卢龙，以断奉军后路。在西路王承斌率二十三师及十三、十四混成旅进攻良乡，奉军顽强坚守，双方皆死伤甚重，付出重大代价后，直军占领良乡。在军情骤然升级之时，豫督赵倜命宏威军第一混成旅旅长马灿林为河南援直军总司令，率本部一旅和豫北巡缉营赴保定助战。于是直军声威大震，张作霖见状于28日赴军粮城亲自督战。
直奉两方开始冲突的消息传到北京，驻华各外交使团先后两次照会中国政府，大略为：
一，根据《辛丑条约》第九条，要求京津间交通保持原状，不得在铁路线内作战。
二，保证外国人生命财产安全。
三，维持北京治安，京畿三十里内不得作战，双方军队不得开入北京城内。
北京外交部接到照会，于28日分电曹锟、张作霖，“切勿因此惹起交涉，以外人以实”。吴佩孚致电北京各国公使团及上海、天津、汉口等处各国领事，声明其兴兵的原因是“为正义人道记，不得不取正当之防卫，”并许诺“凡京师地方治安及外人生命财产，均付保证责任，战争一告结束，即行恢复交通，并恳诸友邦于战争期内，根据条约，依照公法，毋供给对方粮饷以及一切有利敌方之行为。”张作霖亦通电做出了京畿三十里内绝不作战的保证。
4月29日直军在东路良王庄、中路廊坊、西路长辛店同时发起总攻。张作霖同一天以镇威军总司令的名义发出了总攻击令。直奉之战正式爆发。
东路战场接战时间最早，主要在津浦线进行。4月21日即有奉军阚朝玺部与直军张国熔部发生冲突，双方几经接触，互有伤亡，至28日便集兵于大城一带。当时直军占领着县城，奉军进攻，直军以二十六师一部增援，双方激战甚烈。29日，奉军张作相统帅卫队旅四营及第四混成旅一团，进攻直军二十六师侧背，后又调来奉军第三混成旅助战，直军不敌，退向任丘。30日上午，奉军又增加李景林部万余人，集中优势火力，以机关枪为先导，并辅以骑兵，向任丘大举进攻。正当任丘直军岌岌可危之际，王承斌率援军赶到，内外夹击，大败奉军，直军乘胜追击，占领大城白洋桥。5月1日，王承斌率军迎战反击的奉军，在姚马渡、白洋桥附近反复拉锯，终于奉军败北，次日直军攻克大城。奉军失守大城后，中路张学良率步兵万余，许兰洲率骑兵一旅，炮兵一团前来增援。直军也增加了第三师一部。双方鏖战经夜，最终又是奉军大败，向杨柳青溃退，直军遂于5月3日再攻马厂。奉军急调驻扎静海、杨柳青的部队前来助战，直军一度腹背受敌，形势危机，不得不稍稍后退。好在任丘方面直军适时赶来，直军乃得喘息机会。于是直奉军于姚马渡、白洋桥一带二次交锋。奉军攻势猛烈，直军渐渐招架不住。突然传来奉军中路失利的战讯，奉军士气大沮，直军乘势反击，奉军遂向静海方向撤退，直军于是占领马厂、青县。此时败退于静海的奉军尚有四个旅的兵力，曾打算组织反攻，不料，5月4日奉军西路军大败的消息传来，顿时弃城而逃。直军进占静海，不及撤退的奉军7000余人缴械投降。直军乘胜追击，奉军残部且战且走，经杨柳青退至北仓，再退军粮城，终于5月7日全部缴械。
当时的战争形势，以西路最为重要。期间主要经历了长辛店、琉璃河、卢沟桥三场大战。
长辛店为西路奉军司令部所在地，由奉天暂编第一师和十六师驻守。4月28日，直军第二十四师张福来部和第十三混成旅董政国部向长辛店奉军开始进攻，想不到的是奉军的炮兵早已准备好，顿时炮弹如雨，倾泻到直军头上，而且奉军阵地周围还埋置大量地雷，一时间直军损失惨重。傍晚时分，直军西路总指挥孙岳派兵从侧翼奇袭，突破奉军阵地，歼灭千余人。不料奉军汲金纯率二十八师赶到增援，收复阵地，并将直军击退六十里。29日晨，奉军追击直军到琉璃河一线，再次交锋。吴佩孚急调河南第三旅马灿林部和直隶补充团时全胜部赶来增援，军势复振，将奉军击退，复据良乡，并于晚十时经由南岗洼进逼长辛店。长辛店的奉军一面以强大炮火阻击直军，一面调集第二十八师、第九旅、第二旅及察哈尔骑兵旅的优势兵力向直军反攻。由于直军以村庄民房为掩护，致使南岗洼、北岗洼、水流坊、东王庄等十余座村子被奉军炮火夷为平地。真可谓作孽不浅！双方你来我往，来回拉锯，都伤亡惨重。吴佩孚亲自督战，坚持了一天一夜，但终因奉军炮火猛烈，兵力强大，30日，直军乃退至良乡以南，奉军进至房山。5月1日，孙岳又组织三路直军继续进攻，但最终无功而返。2日拂晓，吴佩孚调整部署，集合西路主力，再次反攻。首先由直军炮兵用榴霰弹向奉军猛烈轰击，步兵则于两侧借着炮火掩护前进，同时派出第三师技术营由军田庄出发，向长辛店东北高地潜进，占领该地后以威胁丰台与长辛店的铁路交通。经过半天激战，奉军不支，退守长辛店、大灰场、黄土岗一线原阵地。3日中午，冯玉祥第十一师二十一旅李鸣钟部到达良乡县坨里，十一师号称能战，是直系的一支生力军。吴佩孚立即赶来与李鸣钟会面，面授机宜。当晚吴佩孚派出少量部队夜袭奉军阵地，诱使奉军开炮，以消耗其弹药，同时命李鸣钟部越过坨里山，夜宿于门头沟，准备次日拂晓由西向东夹击大灰场。夜袭部队一击便退，奉军不知是计，一路追击。李鸣钟部乘机猛攻其侧背，并截断奉军后路，奉军首尾难顾，陷于苦战。4日凌晨，直军主力直扑卢沟桥，而奉军炮弹消耗罄尽，一筹莫展，而邹芬之十六师突然于战场倒戈，师长邹芬被俘，张景惠所部暂编第一师及第二、第九混成旅皆陷入重围，苦战得脱，向卢沟桥一带溃退，直军遂占领长辛店。张景惠率残部又退丰台。5月5日直军增援的张锡元第四混成旅加入战斗，直冲丰台，张景惠仓促由丰台退出逃往天津，其部下四散，被俘缴械者近三万人。至此西路奉军彻底失败。
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。
中路战场在京汉、津浦两路之间。直军中路集中在固安，由吴佩孚亲自指挥。奉军张作相则驻永清城内，两军前沿相距很近。自4月24日起便有小规模冲突，正式大战则从4月29日开始。直军前敌总指挥为二十三师师长王承斌，奉军总指挥为二十七师师长张作相，双方都是各自的精锐部队，从30日至5月2日，双方大战数次，未分胜负，固安城两度易手。由于中路牵动全局，因此吴佩孚亲上前线，指挥直军与张学良、郭松龄所部之奉军劲旅在霸县周围多次较量，吴以为只有打痛孩子，娘老子才能出来，故此对张郭所部攻击尤为激烈。但是奉军的三、八旅不愧为训练有素的精锐，数日激战，连败直军，5月4日，攻占胜芳、崔庄、信安镇，一度攻至霸县城下，旋因得知西路兵败，乃从容撤退。总指挥张作相亦于同日放弃永清，退往天津。直军一路追击，连克杨村、落垡，5日攻占廊坊。至此中路战事亦告结束。
5月5日，张作霖见大势已去，率行辕退往滦州。
大总统徐世昌于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。”
直军继续追击，6日，占领军粮城。
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。
为肃清关内奉军，直军继续向滦州进攻。张作霖虽然一周之内损失七万人，但是精锐犹存，他又陆续从东北各地调集人马，不久兵力又达到七万人，准备再战。20日直军攻克滦州，此时奉军斗志全无，张作霖无奈之下，将司令部移至榆关。26日，张作霖返回沈阳，所部也逐步退回关外。直军追至秦皇岛，也无力再进。
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。
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。张作霖既已取到东北和西北，又要把持长江一带地盘，还要控制北京政府财政，这是使曹除了一面倒向吴佩孚外，无他路可以选择。
（三）奉张在和战之间摇摆不定，又希望广东方面北伐，皖系呼应，自己坐享其成。洛吴则视这一战为生死存亡之争，竭其全力以赴。奉军主力集中东线，而将不可靠的第十六师置于西线前方，蹈了直皖战时，段祺瑞利用非嫡系军队打头阵，结果也招致阵前起义的覆辙，致使全线受到牵动。
（四）吴佩孚背城一战，只能胜不能败，张作霖败了可以退回关外，所以缺乏必胜的决心。