1925年末，原为奉系的郭松龄倒戈大军占领锦州。13日攻克营口、沈阳震动。张作霖准备下野，逃往旅顺。郭松龄两次致电日本公使和驻华外交团，声明保护在东北的外国人，尊重既成条约，要求日本和各国严守中立，不要干涉中国内部事务。7日，日本关东军迅速由铁岭、辽阳、海城等地结集于奉天府警戒，并声明，表示不干涉中国内战，同时警告郭松龄部和奉军不得扰及满铁附属地及日军守备区域。15日，日本内阁决定：从其本土和朝鲜调动大批日军到满洲，增援张作霖。同日发表第二号警告，严禁对南满铁路两侧以及离铁路20华里以内有直接战斗行为，并禁止对附属地治安有紊乱之虞的军事行动，否则一概缴械。18日，关东军司令官移驻奉天省城，坐镇指挥日军。
郭松龄将所部整编为5个军，郭亲任总司令，原炮兵司令邹作华为参谋长，刘伟、霁云、魏益三、范浦江、刘振东任军长。 1925年11月23日，七万大军浩浩荡荡向奉天进发，一场血战拉开帷幕。
奉军方面张学良指挥兵力近七万人，日军干涉一面派炮兵加入战局一面派80架飞机策应轰炸郭军，又朝鲜调军2个师团4万人阻止反奉军入奉，郭松龄部兵力大概4万人左右。
奉军总兵力倍于郭军，且有优势的骑兵。炮兵稍逊于郭军，但也做了相应的补充。据时任奉军炮兵司令部参谋长的廖安邦回忆：“同年郭松龄反奉，奉天处在危机中的时候，炮兵十四团却成为张作霖炮兵的主力：以该团为基干，又将原在步兵部队中的炮兵人员全部调回使用，在巨流河东岸布置炮兵阵地。张作霖命令将兵工厂所有大小口径的炮都运出来使用。用帅府的大骡车载运到阵地上来，每门炮给炮弹三百发，射完为止。”同时，张作霖又雇佣了日本人当炮兵。“这些日本人约有二百多人，是张作霖的日本顾问荒木贞夫在奉天日本车站找来的一些退伍军人。”日本军方还接济张作霖大批军械、弹药，足够奉军一二个月之用。
日本人的干涉使张作霖有了喘息之机，他迅速将残余的部队进行整编，任命张学良为前线总指挥，并在巨流河东岸布防。张作霖此时在巨流河的兵力约有六、七万人，而且有优势的骑兵。炮兵虽不及郭军，但使用的多数是由奉天兵工厂运来的新炮和日本重炮。而且，由日本人亲自指挥和操纵这些炮队，弹药也由日本人提供。
由于日军的干涉，郭军原计划南北夹击奉天不能实施，只得在巨流河一线正面与奉军作战。20日，郭军夺取辽河西岸军事重地新民，奉军无险可守，郭军进逼奉天。21日，郭松龄部队与张学良部隔着巨流河决战。张学良看着湍湍的巨流河，感慨万端:“这好像是命中注定，以前在讲武堂时，郭松龄与学良在此演习过，这里的地形，我们双方都很熟悉，就让老师跟学生在此比比高低吧！”
22日，受寒冷、缺粮、缺弹药困扰的郭松龄不待主力集中便发出总攻击命令。郭军对兴隆店奉军司令部形成包围之势，但最终因刘文清旅弹药供应不上转胜为败。接着，吴俊升率黑龙江骑兵杀到，炸毁了郭军在白旗堡的弹药库。郭军遭此严重打击，士气低落，士兵中流传:“吃张家，穿张家，跟着郭鬼子造反真是冤家”。
张学良乘势加紧策反工作，亲自给郭军军官打电话，讲明形势，表示既往不咎，致使郭军全线震动。早已离心的郭军参谋长邹作华通过日本驻新民领事分馆与张学良通了电话，表示不再为郭松龄作战。 23日夜，郭松龄召开军事会议商议策略，将领们的态度很不统一。邹作华、高纪毅等将领极力主张“停战议和”，而霁云、刘伟、范浦江等人积极主战。在此情况下，郭松龄仍决定和奉军决一死战。
24日拂晓，郭松龄“亲立阵头督师”。然而，令郭松龄没有料到的是，他的兵也是张学良的兵，张学良用飞机撒下的传单“老张家人不打老张家”极大地涣散了郭的军心，士兵开始纷纷投诚。给郭致命一击的是，邹作华“突然将所部炮兵旅撤回，并停止前线子弹供应，郭军遂大溃”。
15日，日本内阁决定：从其本土和朝鲜调动大批日军到满洲，增援张作霖。同日发表第二号警告，严禁对南满铁路两侧以及离铁路20华里以内有直接战斗行为，并禁止对附属地治安有紊乱之虞的军事行动，否则一概缴械。18日，关东军司令官移驻奉天省城，坐镇指挥日军。
郭松龄反奉事件使日本获得机会。本来他们不无助郭反奉之心，但郭松龄明确警告日本不要干涉中国内政，终使日本继续支持张作霖。在关键的巨流河之战中，日本炮手就起了很大的作用。而当时关东军开入奉天一带的兵力已达4万人，将日旗遍插各处，勒令郭军不得通过，遂使郭军走入死胡同。在郭军咄咄逼人时，日本即向张作霖提出签订密约，作为出兵襄助的条件，密约包括五条：
一、日本臣民在东三省和东部内蒙古，均享有商租权，即与当地居民一样有居住和经营工商业权利；
二、间岛地区行政权的移让；
三、吉敦铁路的延长，并与图们以东的朝鲜铁路接轨和联运；
四、洮昌道所属各县均准许日本开设领事馆；
五、以上四项的详细实施办法，另由日中外交机关共同协商决定。
当时的张作霖正慌不择路，马上一口应允。但是这个条约是不成文的，而且有“另外协商决定”的约定，故张作霖事后即予反悔。（总算张作霖没卖成国）这为日后日本制造皇姑屯事件炸死东北王埋下了伏笔。
郭军三面受敌，23日战败。郭松龄见大势已去，于是在1925年12月24日晨携夫人韩淑秀及幕僚数人以及200多名卫队出走。临行前，郭委托霁云军长收容余部，向沟帮子、锦州方向转移。
在巨流河战役中，奉军在防守配备上，张学良与韩麟春曾有不同意见。韩麟春主张加强侧翼防御，以防郭松龄偷袭。张学良深知郭松龄其人，坚持认为:“郭茂宸是个宁折不弯的人，他一定哪硬往哪打，我们只要把正面工事做好，顶住郭军的进攻，再加上宣传攻势就一定可以取得胜利”。果不出所料，张学良的有针对性部署和攻心战术打败了老师郭松龄。
邹作华见郭松龄已走，下令各军停止进攻，发急电给张作霖，报告郭出走情形。同时又给张学良打电话报告:“茂宸已出走，部下已放下武器。现在已控制一切，请军团长放心。”至此，郭松龄反奉历经一个多月以失败而告终。
郭松龄夫妇弃军潜逃营口，在新民被捕。同日，张作霖下令将郭氏夫妇就地枪决。
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