1928年12月29日，张学良排除来自内外的种种压力，毅然宣布东三省易帜，服从国民政府，首次助蒋介石完成了国家的和平“统一”。被国民政府任命为东北边防军司令长官。
东北易帜，既非张学良穷途末路，亦非他败降而归，而是执政东北后，把“息争御侮”思想变为现实的初步尝试；是形势逼迫，人民推动，蒋介石的督促和张学良的爱国决心共同铸成的顺人心、合潮流的爱国之举。这个决定受到全国人民的欢迎，张学良功不可没。但是促成此举的各种力量，也不可忽视（包括蒋介石与英美的支持）。它的圆满成功，达到了一举三得、人民满意的结果：其一，捍卫了国家领土主权的完整，粉碎了日本帝国主义妄想一举鲸吞我国东北的阴谋；其二，最大限度保存了张学良的实力与地盘，为建设东北、抗衡日本奠定了条件；其三，蒋介石不费一枪一弹，使张氏父子长期统治的东三省归顺南京，实现了“和平统一”，结束了民国以来最黑暗的北洋军阀混战的局面。
张学良在口述历史时称：“不是因为我父亲被日本人杀死才易帜。我主张国家统一和富强，父亲不死我也会这样做。”“我们为什么易帜？实在是效法先进国家的做法。我们今天也就是不想分中央的权，举政权还给中央，以谋中国的真正的统一。”“南北统一，人心所向。”“我张学良没有统一中国的能力，但我诚心服从能统一中国的人。”
东北易帜不久，张学良于1929年1月10日，处决了鼓动张作霖打内战、反对易帜、威胁东北政权稳定的杨宇霆和常荫槐，巩固了政权。是年，张学良受蒋介石唆使，挑起中东路事件，与苏联开战，损兵折将，被迫与对方签署《伯力协定》。停战议和后，他继续集中力量进行东北建设，励精图治，奋发图强，兴教育，办工厂，修铁路，筑海港。继修建沈海、吉海、大（虎山）通（辽）铁路之后，又修筑了洮索、齐昂等铁路，以钳制日本控制的南满路，使南满铁路收益大大下降，引起日本不满；修筑葫芦岛港，作为东北的吞吐港，以削弱日本控制下的大连港的作用。建立东北无线电台，设置50多个分台，形成比较完整的电信网，与各省市和许多外国电台互发消息；在沈阳、哈尔滨建立广播电台，以抵制日本的反动宣传。他还扩建了一些现代化工厂，如沈阳纺织厂、肇新窑业公司、兴奉铁工厂和东北大学工厂等。他支持东北民族工商业的发展，积极引进新技术；扩建兵工厂，新建迫击炮厂，支持迫击炮厂生产汽车，准备筹建奉天飞机制造厂和沈阳汽车装备厂。为缩编军队，倡导军垦，设兴安屯垦区，任命邹作华为垦区督办；安置河北、山东难民五六万人，发展畜牧业。
张学良在各项建设事业中，尤其重视教育事业的发展。
1990年8月，张学良在接受日本记者采访时说：“我不光是想让东三省，而且想让全国都好起来。我父亲给我留下好多财产，我有很多钱，我把这些钱几乎都捐出去了，建立了东北大学等学校。那些费用都是我出的。一点也没使公家的钱。我很高兴这样做。我要国家强起来，要强起来就得培养人才。教育是强国的根本。”
当年张学良主要从两方面狠抓教育：
其一，狠抓军事教育、裁军屯垦，加强国防。早在1922年就成立军需教育班、宪兵教练处、东北学生队、炮兵研究班、高等军学研究班、东北步兵研究班。继而开办军官教育班，军事教导班，并亲自抓海、空军建设。成立东三省航空、航警学校，以提高部队的文化、军政素质。
其二，大力发展大、中、小学教育，为国家培养人才。他捐赠其父遗产1000万大洋中的一部分用于扩建东北大学，增设师范教育、体育教育和农学专业，并亲任东北大学校长。高薪聘请国内学术界名流到东大任教，如章士钊、梁漱溟、梁思成、张伯苓等。教授月薪是400元，少数人高达800元或800两白银。同泽中学教员月薪是80至120元；主任、校长是180元至200元，是一般公务人员收入的三四倍。他还捐赠500万元私产成立“汉卿教育基金会”用以发展中、小学教育。创办了36所新民小学，创办同泽中学、同泽女子中学、海城同泽中学等。派东大优秀生出国留学。
张学良执政东北后，以辽宁教育为例，1929年各地公私学校共计10404所，比上年增加了400所。在校学生64万，比上年增加了2万多。同年吉林省兴办吉林大学。
再以教育经费为例，1928年教育经费为528万元，1929年猛增至1635万元。东北大学经费1926年为51.7万元，1929年增至133万多元。这与当时蒋管区教育经费连维持原有规模都不易，因欠薪而造成风起云涌的罢教风潮，是一鲜明对照。
张学良在教育思想方面，除学习文化知识外，特别注重实践，注重爱国主义教育。他要求学生要“明耻自强，振兴民族。”他为海城同泽中学制定的校训是“爱国、尊师、励学、崇实”。张学良思想比较开放，承认世界列强科学进步，国富民强，其根本原因是革新教育，培养人才。为此，他下定决心进一步发展教育，“要振中华，必赖乎人才，赖乎教育”。
张学良说：“国家大事，当从事于教育一途。”他深知培养人才须从基础教育抓起，因此对中学教育极为重视。1929年辽宁普通中学达到122所，学生22153人，其中有初级中学99所、高级中学5所，完全中学18所，较之1926年增加了48所，加上职业及其他中学，全省的中等学校总数共有198所。张学良认为“中国近百年来之所以落后，其根本原因，即在教育落后。”要独立富强，其“唯一希望在青年，青年之根本在教育。”
1933年，张学良下野出国前致书东北军将领与东北名流，勉励他们要亲如手足，患难与共，准备收复东北为最大责任。“嘱咐武要保存东北军实力，文要发展东北大学。”念念不忘复土还乡和洗雪不抵抗将军的“罪名”。
1936年8月，张学良为东北大学西安新校舍奠基题词：
“沈阳设校，经始维艰。自‘九一八’，惨遭摧残。流离燕市，转徙长安。勖尔多士，复我河山。”
同年9月30日，张学良在东北大学西安分校秋季开学典礼上发表讲话，要求师生们读书不忘救国，救国不忘读书之含义，养成大无畏之奋斗精神，作西北青年之表率。
1991年3月29日，张学良表示要为大陆成立的“阎宝航教育基金会”捐款10万台币。
是年，张学良又给青田阜山中学65周年纪念题写“培育英才”四字。阜山中学是张学良的德文老师、东三省军事测量局局长陈英（字惠生）于1926年出资在浙江省青田县创办的。
1992年11月30日，张学良出任恢复后的东北大学名誉校长，并题写“东北大学”校名。
1993年4月13日，为东北大学70周年校庆题写：“东北大学七十周年纪念。”为东北大学复校典礼题写：“教育英才”四字。
1996年2月，张学良为表示对祖国教育事业作出过贡献的著名的爱国教育家张伯苓先生的敬意和怀念，在其120周年诞辰时题写“桃李满天下”祝词。
当年张学良展开的东北建设，创造了全国10多个第一：
东北军武器装备的现代化水平在全国军队中首屈一指；
肇新窑业公司为中国第一家机器陶瓷制造工业；
辽宁迫击炮厂制造了中国第一台（民生牌）载重汽车；
东北农业公司和东北军兴安屯垦区，开中国军民使用农业机械（拖拉机等）之先河；
东北自建自营铁路里程居全国之冠；
张学良驾驶飞机从沈阳到营口送邮件，开中国民航事业之始；
东北无线电总台首开中国与欧美各国国际通讯网络；
张学良兴办东北现代教育的私人捐款数量居全国第一；
张学良支持刘长春参加第十届奥运会，这是中国体育代表队首次参加奥运会；
奉天体育场是中国第一座现代化体育场；
聘请外籍教练指导东北大学选手训练，并资助新闻记者随团出访，在我国是第一次；
在辽宁洮安举办了中国第一届赛马会；
资助东北大学球队出访日本，破中国体育“外交”先例。
