战前直、皖双方的兵力部署和态势大致如下：西路，即在京汉铁路京保段两侧，皖军的总指挥是段芝贵，指挥边防军一师全部、边防军第三师第五混成旅、陆军第十五师全部、第九师两个营、第十三师辎重营，布阵于涿州、固安、涞水一线以北；直军以吴佩孚为总指挥，指挥第三师和第二、三混成旅布防于易县、涞水、涿州、固安一线以南。东路，即在京奉铁路京津段沿线，皖军以徐树铮为总指挥，指挥西北军第二混成旅、边防军第三师两个团及第九师一部，列阵于落垡、廊坊一带；直军总指挥为曹锟之弟、蓟榆镇守使兼第四混成旅旅长曹钅英，率第四混成旅、第二补充旅、直隶守备队等，驻守杨村，与皖军对峙。
为打败直系，皖系事先拟定的作战计划是：西路以主力部队沿京汉铁路南下，首先夺取保定，然后继续向南进攻，与自湖北北上的吴光新部和由洛阳东进的西北军一起，围歼直军主力；东路则沿京奉铁路向东进攻，首先夺取天津，然后沿津浦路南下，与从济南北上的边防军第二师围歼直军。直军采取的对策则是：西路首先以主力坚守京汉路，然后伺机反攻，歼灭皖军主力；东路则坚守于天津以北，打破皖军进攻后，再进行反攻。
7月14日下午，段祺瑞正式颁发了总攻击令。当日晚间，西路皖军主力即开始向直系发动全线进攻，直、皖战争正式爆发。
这次战争的主要战场在西路。由于皖军攻势凶猛，故最初两天的形势对直系不利。京汉铁路沿线的皖军一度突破直军防线，占领了涿州和松林店，将直军压到了松林店以南的高碑店。在涿州以东的固安一带，皖军的攻势亦很凶猛，直军在吴佩孚的亲自指挥下，拼死抵抗，虽然守住了固安，伤亡却不小。
东路虽非直、皖两军的主力所在，战斗也很激烈。皖军从7月15日夜开始向京奉线上杨村一带的直军进攻，一度迫使直军退到仅距天津十几里路的北仓。
然而，从7月16日起，战局开始发生变化。
这个变化首先发生在西路。据说，16日夜因为下大雨，皖军所有的榴弹炮、开花炮均失去效用，而直军又乘机发起反攻，加之此时奉军在河南的一支部队，即邹芬所部第一师第一旅也赶到了前线，加入直军阵营，故直军士气大增，反攻频频得手。当时，除从正面反攻外，吴佩孚又调了两支部队分由松林店、三家店绕到了皖军第十五师、第一师侧后，对之包抄袭击，切断其退路。皖军因腹背受敌而阵脚大乱，纷纷后退。直奉军在追击中，收复了松林店、涿州等城镇。皖军第十五师在退却逃跑时，适值大雨后河水暴涨，士兵溺毙不少，该师师长不仅随身所带的数千元现款掉落在河中，而且差一点被淹死。该师第二十九旅旅长张国溶、第三十旅旅长齐宝善见大事已去，决定率所部归顺直军。与此同时，直军右翼萧耀南的第三混成旅和彭寿莘的第三补充旅也在反攻中得手，将皖系边防军第三师击散，该师师长陈文运受伤后逃走。皖军第十三师也受直系重创，其中一个营投降了直军。
17日，西路直军乘胜扩大战果，与皖军第一师大战于涿州以北。由于皖军第十五师已投降，第一师势单力孤，被直军包围。经过几小时激战后，皖军第一师第一旅旅长范尚品阵亡、第二旅旅长程长发潜逃，全师的团、营、连长伤亡者亦很多。该师师长曲同丰见部队战斗力已完全丧失，遂挑出白旗，当了直军的俘虏。至此，西路皖军全线溃败，涿州以北完全为直军占领。
西路皖军三个师被歼后，总指挥段芝贵知大势已去，当晚即从琉璃河搭车逃回北京。这个段芝贵，本是袁世凯的亲信，曾担任过东三省的最高统治者。他被张作霖设计逐走后，又受到段祺瑞的重用，实际上是无能之辈，此次奉命担任皖军西路总指挥时，即以火车车厢为司令部，所带随从办事员百余人，其中厨师就有20多个。车上除载有军用品外，尚有烟枪、烟盘14副，荷兰水数百打，麻雀牌七副。可见段芝贵只知享乐，根本无心指挥作战。在逃亡途中，段芝贵的专车又被直军追赶，弹如雨下，车厢内的卫兵死伤了数十人，段芝贵因俯伏在车内，才得以幸免。车开到良乡附近时，追击的枪声仍未停息，段芝贵不得已，只好单身下车，另搭摇车逃回北京西站，其狼狈之状，可想而知。
到18日直军进驻琉璃河时，西路实际上已无战事，只待办理善后了。
东路的战斗在16日以后也发生了变化。正当直、皖两军相持于北仓以西时，张作霖的奉军工程兵开来相助，直军顿时士气大振，立即开始反攻。接着，由京奉线入关的奉军第二十七、二十八师各一个旅也开抵天津附近，加入反皖作战。直、奉两军并肩战斗，实力大增，皖军再也抵挡不住了。17日，直军重新占领杨村，并直下落垡和廊坊。皖军被击毙者甚众，幸存的大半逃散。东路皖军总指挥徐树铮一看败局已定，亦于当晚逃回北京，东路战事也以皖败直胜而告结束。
面对皖军全线溃败，段祺瑞愧恨交加，不得不于7月18日请求徐世昌下令停战。同日，徐世昌以大总统的名义，颁布了停战令，要求各路将领迅饬前方各守防线，停止进攻，听候命令解决。至此，历时仅5天的直皖战争宣告结束。
7月19日，段祺瑞发表通电，自请罢免官职，废除“定国军”名义。他在电文中说：“顷奉主座巧日电谕：‘近日迭接外交团警告，以京师侨民林立，生命财产极关紧要，战事如再延长，危险不堪言状。应令双方即日停战，迅饬前方各守界线，停止进攻，听候明令解决’等因，祺瑞当即令饬前方将士一律停止进攻在案。查祺瑞此次编制定国军，防护京师，盖以振纲饬纪，初非黩武穷兵。乃因德薄能鲜，措置未宜，致招外人之责言，上劳主座之廑念。抚衷内疚，良深悚惶。查当日即经陈明，设有谬误，自负其责。现在亟应沥请自劾，用解愆尤。业已呈请主座，准将督办边防事务，管理将军府事宜各本职，暨陆军上将本官即予免职，并将历奉奖授之勋位、勋章一律撤销，定国军名义亦于即日解除，以谢国人，共谅寸衷。”段祺瑞的这份通电无疑是文过饰非，他不愿公开承认皖系的失败，但是，也不能不表示要对发动此次战争承担责任。
奉系军队在直皖相持的关键时刻加入直方作战，对直军战胜皖军起了相当大的作用，如今张作霖要同直系一起分享战争胜利的果实。当皖系溃败时，奉军不失时机地缴获了皖军的大批军械、弹药和其他军用物资。边防军在北京南苑的12架飞机，也为奉军所获；徐树铮在北京东直门里的库房及所贮存的军用物资，也全为奉军接收。战后，张作霖将所获的军用品运往奉天时，曾装车百辆，可见奉军所得确实不少。
不过，张作霖在直、皖战争中所得到的好处远不止这些，更重要的还在于，他不但首次取得了北京政府至少一半的控制权，并且利用这种权力进一步扩张了地盘。
一场“征蒙”闹剧
在直皖战争中惨遭失败之后，皖系势力受到了致命性的打击，从此失去了控制北京政府的能力。作为总统的徐世昌曾以为，推倒了皖系这个“太上政府”以后，他可以放开手脚“主政”了。他没有想到，“前门拒虎，后门进狼”，皖系虽被打倒，直、奉两系却取而代之，成了北京政府的“太上皇”。得不到直、奉两派军阀的认可，徐世昌还是什么事情也做不成。
战争一结束，这种情况就在如何处理善后的问题上反映出来。
7月19日，即停战之后的第二天，靳云鹏、姜桂题、傅良佐、张怀芝等受徐世昌委派，带着善后处理的四项条件到天津，与直、奉两方磋商。其主要内容是：
一、惩办徐树铮；
二、解散边防军；
三、解散安福系及罢免曾毓隽、李思浩、朱深三总长；
四、解散安福系控制的国会。这四项条件不但得到了徐世昌的赞同，也为段祺瑞所认可。当时，直系首领曹锟和奉系头目张作霖都还未到天津，靳云鹏等人自然得不到任何答复。但从直系的另一头面人物、时任直隶省长曹锐的反应来看，直系对这些条件并不满意，认为条件太低。果然，几天后，吴佩孚给北京步军统领王怀庆发来一份电报，要求严厉处置皖系和段祺瑞。电文写道：“段氏窃柄，视元首为傀儡者三次矣。以国家为一家之私产，引狼入室，丧尽国权，为拥戴元首计，为保卫国家计，均非将奸党歼除不可。”电文还明确提出了六项条件：
即
一、解散边防军，取消边防督办官制；
二、解散西北军，取消西北筹边使官制；
三、安置段祺瑞于汤山，交国民公决；
四、徐树铮、曾毓隽、朱深、李思浩、丁士源五人交法庭审办；
五、国会停会；
六、追缴安福系首领王揖唐及安福系议员证书，永褫公权。吴佩孚请王怀庆将上述六项要求转呈徐大总统核办。对这六条，直系的曹锟、陈光远、王占元等均表示赞同，后来即作为保定方面向北京政府提出的处理善后问题的正式条件。
显然，直系提出的六条，比徐世昌的四条要严厉得多，特别是将矛头直指段祺瑞本人。
不过，这六条也只是直系一方提出的，事先并未同奉系张作霖磋商。而不论是大总统徐世昌，还是直系曹锟、吴佩孚所提的条件，在未得到张作霖的认可之前，仍是不作数的。正因为如此，靳云鹏在天津碰壁之后，立即亲自赶到奉天，征询张作霖的意见。靳云鹏同张作霖也是儿女亲家，私交甚厚。他到奉天后一方面转述了徐世昌的四条，另一方面替自己的恩师段祺瑞说情，希望张作霖给段祺瑞留点面子，不要使段祺瑞太难堪。
张作霖与段祺瑞的关系一向不算差。以前，张作霖多次获得过段祺瑞的支持，对段颇怀感激之情，这一次张作霖助直反皖，主要出于对徐树铮和安福系的痛恨，故他始终把矛头对准徐树铮，从内心讲，张作霖也确实不愿过分为难段祺瑞。此外，张作霖还有一层考虑，即对段祺瑞采取宽容态度，也有利于他争取皖系残余势力，增加今后同直系抗衡的资本。因此，他对靳云鹏的意见甚表赞同，并决定出面为段祺瑞转圜。7月21日，张作霖看到段祺瑞于19日发出的自劾乞和电报后，立即给段祺瑞复了一电，对其进行安慰。张作霖在复电中说：“引责各节，不忍卒读”，“吾公一世令名，坏于群小之手，言念及之，泪下如雨”。“作霖当躬率三军，愿为督办扫除群小。至对于督办，决不稍有侵犯。”7月23日，在听了靳云鹏的意见后，张作霖再一次致电段祺瑞说：“翼卿到奉，业已接洽。窃念此次兴戎，譬如子弟相争，无关长者，为父兄者尽可置之不问，任凭子弟自行设法了结。今日之事，无以异此。伏望我督办切勿介怀，遇事仍襄助元首，维持大局，并救济近畿一带之生灵。作霖日内到津，即当约集曹使，联络各省，筹商善后一切事宜，以资收束。溽暑逼人，尤望免节忧劳，为国珍慑，无任盼祷。”
为了贯彻自己的意志，张作霖果然如电文所说，偕靳云鹏于7月25日驶抵天津，并电约曹锟到津，进行所谓的善后磋商。在此以前，直、奉两军已陆续开到北京，并将皖系军队全部解除武装，分别接收了南、北苑营房，控制了京畿地区各要地。7月29日，张作霖同曹锟、靳云鹏及其他反皖各省的代表，在天津曹家花园举行会议，正式会商善后办法。吴佩孚当时还在长辛店，没有出席，但派了张绍曾为全权代表参加。这次会议经过一番争论，除徐世昌已经实行的措施，如惩办徐树铮及安福系分子，解散安福系，免段祺瑞参战督办职等等，又决定了五项办法：
即一、国会自行解散，用新选举法或旧选举法另行召集第三次国会；
二、内阁问题，由靳云鹏重新出来组阁，并拟定阁员名单；
三、取消上海和平会议，另行组织统一会议；
四、裁兵问题，用靳云鹏之裁兵减饷计划，略加修正，即日实行；
五、财政问题，清除旧债，节减军费，实行开源节流。这些办法大多采纳了张作霖的意见，特别是由靳云鹏重新组阁一事，直系本来是反对的，但由于张作霖的坚持，不得不作出妥协。
会后，张作霖与曹锟相约，8月4日同时进京，以便进一步与大总统徐世昌面商解决时局问题。这一天，北京车站搭起了欢迎牌楼，沿途街道也打扫一新，军警林立，戒备森严。张作霖在北京车站下车后，以胜利者的姿态骑上了一匹高头大马入城，前面由300名仪仗队打着“东三省巡阅使”的大旗引路，两边由步伐整齐的机关枪队和骑兵马队护卫，可谓威风八面。
自从曹锟、张作霖进京以后，一切重大事情，如不再对段祺瑞进行严厉惩罚，由靳云鹏重新组阁等等几乎都由张作霖作主，曹锟基本上是惟张是从。当时的报纸对此也有反映。如著名的《申报》就在所刊登的《北京通信》中说：“溯自曹、张入京，所有重大事件，概由作霖主持，故张为自动，而曹则被动，已尽人皆知。”这种情况的出现有一定的原因。一则，奉系入关的军队已达7万多，且都部署在京畿一带，张作霖因此而成为举世瞩目、最有影响的实力派人物；二则张作霖为人机警，鬼点子也多，而曹锟正好相反，没有多少主张，又缺乏决断能力。在直系内部，曹锟多听吴佩孚的，但吴佩孚当时官阶较低，又受到张作霖和徐世昌的排斥，无法贯彻自己的主张。因此，在同张作霖打交道时，张作霖总是采取软硬兼施的手段，迫曹锟就范。
不过，曹锟虽然比较软弱、被动、但也不是傻瓜。特别是在涉及他和直系的权力、地盘问题上，曹锟也决不含糊。正因为如此，北京政府正式任命曹锟为直鲁豫巡阅使，将三省的军政实权交给了他。对徐世昌、靳云鹏的这一安排，曹锟还是满意的。此外，张作霖虽然想夺权，但当时奉系的实力还有限，不可能将直系完全排斥，单独控制北京政府。因此，通过协商，曹锟、张作霖与徐世昌等人达成了一个实际上由直、奉两派分享北京政府控制权的秘密协议。
主要内容为：
一、以后国家大计，须先征求曹、张同意而后施行；
二、东三省以及直鲁豫巡阅使范围内，用人行政、政府予曹、张以方便，不能有所干涉；
三、总统地位，由曹、张竭力维持；
四、靳云鹏如有为难之处，曹、张予以援助；
五、各省如有不服从中央命令，曹、张有劝告之责，等等。
获得这样重要的权力，不仅曹锟基本上满意，张作霖也很满意。在此之前，张作霖虽然当上了“东北王”，但他毕竟还只是个割据一隅的地方军阀。如今，他一跃而成为北京政府的“太上皇”之一，得意之情自不必说。
不过，直奉之间的这一分赃协议并没有使两派的矛盾真正得到解决，而北京政府控制权的部分获得，也没有填满张作霖的胃口。很快，张作霖就开始为进一步扩张而努力，而直、奉两派也因争权夺利而展开了新的角逐。
曹锟、张作霖在北京住了整整一个月，9月4日，他俩分别离京，各回保定和奉天。返回奉天后，张作霖便开始筹划如何利用对北京政府的部分控制权，把自己的地盘扩展到热河、察哈尔、绥远及外蒙去。
自打做了“东北王”之后，张作霖就在觊觎热、察、绥和外蒙古，以实现自己的“大满蒙主义”。然而，由于当时皖系，尤其是徐树铮正在大力经营内外蒙，张作霖难与其争锋，如今，徐树铮这块绊脚石已被踢开，可以放手干了。
当时，内蒙的热、察、绥地区尚在北京政府的控制之下，只是三区的军事长官都不是奉系集团的人，可外蒙却在沙俄的唆使下处在“独立”状态。1920年9月，张作霖借口平定外蒙动乱，要求北京政府以奉系干将张景惠取代王廷桢出任察哈尔都统，夺得了察哈尔的控制权。此后，张作霖又以“征蒙”为由，大力扩充奉军，争取进一步控制热河、绥远。
对于张作霖的要求，北京政府虽然不敢不从，但也担心引起直系的不满，故不能不谨慎从事。张作霖也明白，他要达到自己的目的，也必须与直系进行周旋。于是，1921年4月，张作霖约曹锟、靳云鹏和两湖巡阅使王占元到天津，召开了所谓的“四巨头会议”，讨论“征蒙”及其他问题。会上，直系头目之一曹锐曾对靳云鹏发难，埋怨靳云鹏内阁不能公平对待直、奉两派，而靳云鹏也因此火冒三丈，要掼乌纱帽，搅得会议差一点不欢而散。后经张作霖、王占元从中调解，会议才勉强持续下去。通过这次会议，张作霖与曹锟坐地分赃，热、察、绥三区控制权划归张作霖，作为交换，曹锟也为直系争得陕西、甘肃两省，扩大了直系的地盘。
“四巨头会议”达成妥协之后，1921年5月25日，总统徐世昌在中南海怀仁堂召开会议，正式宣布：征蒙全局的用兵和指挥官的任用，全由张作霖负责。几天之后，徐世昌又发表总统令，特派东三省巡阅使张作霖兼任“蒙疆经略使”，并规定热河、察哈尔、绥远三特区的都统，均归该经略使节制。接着，在“征蒙”的名义下，北京政府又先后拨给奉军军费500万元，允许张作霖扩编四个旅的军队。总之，张作霖几乎所有的要求都得到了满足。
会后，张作霖“大张旗鼓”准备“征蒙”，然而雷声大、雨点小，最后却不了了之。而直系吴佩孚等人则在此期间策划了一个驱逐两湖巡阅使王占元的运动。
王占元本属直系，但经常受曹、吴的排挤。为了同曹、吴对抗，王占元便向张作霖靠近，张作霖也很乐意结交这个内地实力派，故王、张关系日趋密切。然而如此一来，曹锟、吴佩孚认为王占元吃里扒外，视其为背上芒刺，必欲拔之，特别是吴佩孚，早就想夺取王占元那两湖巡阅使的宝座，只是一时找不到口实。1921年6、7月间，王占元因长期拖欠所部军饷，激起了部下兵变，而湖南军队又乘势向王占元进攻，致使王占元陷入困境，这正好给了吴佩孚可乘之机。吴佩孚立即派所部二十五师师长萧耀南以“援鄂”为名进兵湖北。王占元一看来者不善，遂向张作霖求救。张作霖一面对直系提出抗议，一面声称要派兵援鄂。
然而，远水终究救不了近火，在吴佩孚的逼迫之下，王占元不得不宣布“辞职”。随后，北京政府便按直系的旨意，正式任命吴佩孚为两湖巡阅使，任命萧耀南为湖北省督军。两湖地盘从此被吴佩孚所控制。
张作霖未能阻止直系夺得两湖地盘，便加快夺取热河的步伐，以求得直、奉间的平衡。
