奉军西路首先在长辛店向直军开火，接着东路马厂、中路固安也发生激战。西路战斗最为激烈，直军司令吴佩孚亲赴长辛店督战。直军将士见总司令亲至，士气更加高昂，进攻尤为激烈。奉军张景惠见直军进攻勇猛，传令炮兵队用排炮扫射，不料吴佩孚早有准备，伤亡不大。双方激战一昼夜，奉军炮弹用尽，后方接济未到，炮火便停了下来。吴佩孚见奉军炮火稀薄，便向董政国说：“敌方的炮火已尽，我们不乘此机会进攻，更待何时？”董政国传令冲锋，一时间，直军奋勇向前，奉军抵挡不住，正欲退却，奉军梁朝栋率援军赶到。张景惠、梁朝栋并力合击，直军死伤甚多。吴佩孚传令急退，奉军乘势追赶，追到良乡附近，直军退入城内。奉军见直军入城，准备包抄袭击，不料，刚到城边，忽然地雷爆炸，把奉军炸得东逃西窜，死伤数百人。张景惠慌忙传令，退回长辛店。
直军见奉军退去，正想反攻，恰巧直军援兵赶到，合为一股，并力反攻。此时，奉军一股援兵也从侧面攻来，直军只好下令退回良乡。张景惠乘势进逼，吴佩孚又传令退军涿州。5月2日，奉军占领良乡。
直军王承斌得知西路直军屡屡退败，便亲自率部连夜增援。吴佩孚见到王承斌，开玩笑地说：“我军正在胜敌，你来干什么？”王承斌怔了一下之后也笑着说：“特来庆贺。”吴佩孚握着王承斌的手笑着又说：“你知我何故撤退？因我探知敌军的军火弹械，都在三家店，所以诈退诱敌，一面分兵去三家店，焚烧他们的辎重，使其救应不及，我们再从正面向他急攻，岂有不能破敌之理？现在你来恰好可代我挡住正面，我自己领兵去破三家店。”于是，王承斌率部和张景惠接战，吴佩孚攻打三家店。
奉军以为直军屡败，涿州指日可下，进攻更加猛烈。王承斌竭力抵抗，阻挡奉军。两日后，奉军忽然败退，王料定吴佩孚攻击三家店已经得手，张景惠撤兵回援。于是，王承斌便传令追击。奉军大败，仍退回长辛店。直军克复良乡，正待进军，吴佩孚率军返回。
原来正当吴佩孚率部包围三家店准备进攻时，奉军援兵从丰台赶到，两军夹击，吴佩孚只好退回。当即，吴佩孚、王承斌、董政国商量下一步对敌之策，决定由董政国率部为左翼，进攻三家店；王承斌为右翼，进攻丰台；吴佩孚担任中锋，进攻长辛店。
张作霖坐镇军粮城，也看出长辛店的得失关系到全线的胜败，因此，命邹芬前往支援，并下了死令，说：“你们丢了长辛店，不必再来见我。”邹芬到达长辛店，向张景惠传达了张作霖的命令。于是，张景惠、邹芬、梁朝栋便加紧布防，固守长辛店。
5月4日，吴佩孚亲自督军进攻长辛店，奉军奋力抵抗，当晚，吴佩孚选拔精兵，绕到奉军的背后，第二天清晨直军突然扑向卢沟桥，使长辛店奉军腹背受敌，防线动摇。奉军梁朝栋奋不顾身，率兵冲击，突然一颗子弹飞来，从梁朝栋前心穿过，当即身亡。奉军主将一死，队伍自乱。直军乘势冲锋，奉军纷纷溃退。张景惠一看制止不住，也只得拍马而走。邹芬还想死战，不料左腿也中了一弹，便负伤而逃。直军挥师前进，大获全胜，占领长辛店。
奉军大败，退至卢沟桥扎营。张景惠十分伤感激愤，准备誓死夺回长辛店。于是张景惠率部与直军再战，血战十余小时，击退直军，克复长辛店。直军吴佩孚率部退出数十里，到大灰场扎营，探报左路直军还在相持之中，不能抽调支援，自己所率兵力又少，无法支持。
正在此时，冯玉祥率部来援，依照冯玉祥的计策，冯玉祥率小股部队与奉军正面交战，奉军见直军人数很少，战斗力又不强，便仗着大炮的威力，拼命向前攻击。直军且战且退，直退到数十里外。这时吴佩孚绕到奉军背后，前后夹击，奉军大败，冲出包围，逃往丰台。
吴佩孚再次克复长辛店，但是还没有来得及休息，张作霖加派了几个旅的兵力配合张景惠，重新夺回长辛店。吴佩孚奋勇抵御，短短几天之间，屡进屡退，长辛店得而复失竟达9次之多，双方伤亡惨重。最后，还是张景惠抵挡不住，败溃而走，长辛店被直军占领。
直军占领长辛店之后，乘胜前进，进占落垡，士气大振，乘势猛攻，李景林支持不住，死伤惨重。兵败如山倒，奉军各路纷纷向山海关方向溃退，张作霖见败局已定，被迫下令退却。
5月5日，张作霖只得将司令部移到滦州，并设了四道防线。在奉军司令部移到滦州的同时，直军也集中兵力建立防线，虽然大战已停，但前锋部队仍经常有小的战斗发生。
直、奉大战，直系大胜，这是徐世昌最不想看到的结局，但事实面前，他也不得不去调整、适应。5月5日，徐世昌在曹锟和吴佩孚的逼迫之下连下两道命令，第一道命令要求奉军撤出关外：
“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，闿阎震惊，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。”
第二道命令要求惩办罪魁祸首：
“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：二十年前曾有一宏愿，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，但亦心向往之。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，请梁接听，打电话的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。
10日，北京政府在直系的再三催促之下，不得不下令惩治张作霖，裁撤东三省巡阅使，免去本兼各职，听候查办。
11日，北京政府又下令裁撤蒙疆经略使，并根据直系的意见，调任吴俊升为奉天督军，任命冯德麟为黑龙江督军。徐世昌的命令，对于张作霖来说只是一纸空文，当他接到命令时，只骂了一声“放屁”，随后便置之不理了。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”。
12日，张作霖在日本帝国主义支持下，于滦州宣布独立，改称奉军总司令部，发表声明说：
“……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。”
同一天，直系指使北京外交部照会各国公使：“今后东三省一切事务，非经中央政府核准，概作无效。
奉军在秦皇岛附近陈庄、牛庄一带曾与直军前敌司令、暂编第1师师长彭寿莘，副司令、第15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日直奉两军开战至13日，奉军一度获得胜利，沈阳也曾举行祝捷大会，大肆宣传，可是直军却在九门口转败为胜。13日沈阳各国领事联合向张提出警告，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。
19日，英国以保证开滦矿局的安全为借口，要求奉军撤出滦州。在英国的干涉之下，奉军撤往昌黎。
20日，东三省议会宣布“联省自治”，推举张作霖为东三省保安总司令兼奉天省长。
6月4日，张作霖自称东三省自治保安总司令，再次发表“闭关宣言。”
6月17日，直奉双方在英国的干预下进行停战议和。次日，直军全权代表王承斌、彭寿莘、杨清臣，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，两军以山海关为界驻防。
19日起奉军撤出关外，直军除酌留一部驻防榆关外，大部撤回原防。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。
至此，第一次直、奉大战降下帷幕，以直系军阀大获全胜、奉军失败而告终。直系军阀从此完全控制了北京的中央政权。
直系通过这次战争，把奉系赶回关外，独家主宰北京政权，上下欣喜若狂，纷纷狂呼“直系即中央。”曹锟、吴佩孚不禁为之精神大振，想乘机一举统一全国，号令天下。战争过后，梁士诒被赶下台。曹锟想让王士珍出来组阁。王士珍虽非绝意功名的人，但是时局纷乱，并未全解，吴佩孚又尚有别样用意，难以行使职权，便婉言谢绝。之后，曹锟便以恢复法统为名，拥护黎元洪复职，再次就任中华民国总统。