参加第一次直奉战争的直军，部署以京汉线北段为作战中心，下分东、中、西三路，东路司令张国熔，率第二十六师及第十二、第十三、第十四混成旅，驻防任丘、大城，负责津浦线方向；西路司令王承斌，率第二十三师、第一、第十五混成旅，驻防琉璃河、良乡，负责京汉线方向；中路司令由吴佩孚自兼，吴既为直军总司令，负责指挥全盘战事，同时率第二十四师及第三师一部，驻防固安、霸县，位于津浦与京汉线之间，负责照应东、西两路，机动运用；令鲁督田中玉，“如奉军开徐州，万勿令其通过”，以切断奉军与浙江皖系军队的联络通道；曹锟坐镇保定，镇守后方，往来支援。
直军总兵力约十万人，数量少于奉军，为保证作战重点，遂主动放弃津浦线，收缩兵力于京汉线，以保定为中心，成三角阵形，态势稳固，进退有据，确保防御，再图进攻，体现出吴佩孚的军事素养与指挥谋略。时人论之为：“吴氏之作战计划，在缩短战线，以谋交通便利，兵力集中”；“或以为吴氏让津浦路于奉军，未免失策，而不知吴氏固以予为取，将以诱其深入也。”
“此次直军防务，布置迅速周密”，是其能最终获胜的重要原因。4月22日，吴佩孚向各部发出号令，“通令各路军队速进，奉军已于二十六号攻击”。25日，吴佩孚自洛阳启程赴保定督战。27日，吴佩孚通告各部，“定二十九日开始运动，已到者准备，未到者速进”。28日，吴佩孚向直系各督发出密电，称“奉军坚不撤退，依然节节进逼，不得不实行抵御”。吴佩孚还向部下军官鼓动说：“此次兴师，纯为抵抗武力之压迫，惟力是视。事成则民国之福，不成则以死继之。若失败之余，托足于异国国旗之下偷生，非吴佩孚也。”
奉军总司令张作霖，副总司令孙烈臣，参谋长杨宇霆，总兵力约十二万人，其部署东线以京奉、津浦线为中心，总司令张作相，下辖第一梯队张作相部第二十七师驻防廊坊，第二梯队张学良部第三、四混成旅驻防静海，第三梯队李景林部第七、八旅驻防马厂；张作霖坐镇津东军粮城，指挥一切；西线以京汉线为中心，总司令张景惠，司令部设长辛店，下辖第一梯队张景惠部第一师，第二梯队邹芬部第十六师及第六混成旅，第三梯队郑殿陞部第二、九混成旅，驻于北京南郊长辛店、南苑等地。奉军人数及装备数量与质量均超过直军，但其部署注重进攻，摊子铺得过大，两线作战，兵力分散，中央空虚，易为对手所乘，且深入直军地盘，后方补给线较长，为直军突破留下了易受攻击的软肋，也为作战失利伏下了隐患。 “所谓入人之地深，为兵法所忌。况千里运粮，于军不利”。
时人论战前直奉双方的军事部署，认为“奉军意在久持，直军意在速战”，而战事的演进，则基本符合直方的预期和部署。惟就直奉双方的战前态势而言，“直军志气激昂，军纪严明，且调动军队非常迅速，三日内即将前线军队调齐。而奉军秩序不整，随意游行，其调动军队甚为濡滞，由奉至前线，十日内仍未布置妥贴，加之军心涣散，有一营开至杨柳青，逃散过半，故人心皆倾向直军。至飞机重炮，两方皆有，军器锐利亦颇相等，惟直所缺者饷项，奉所缺者海军耳”。“直军步兵优于奉，奉之骑兵胜于直”。两相比较，直军在技术方面稍占上风，再加上相对合理的战略战术和吴佩孚的有力指挥，战争的结局偏向于直方并不意外。
直奉两军正式交战前，已有规模不等的接触。4月26日，直军在东路首先发动进攻，与奉军在任丘接战，此后战火扩展到静海、马厂、文安、青县一线。直军初战得手，但旋因奉军李景林部反攻而败退，丢失大城。西路直军则在良乡附近与奉军接战，暂成胶着。29日，直奉两军同时下令发动总攻击，第一次直奉战争的大幕正式拉开。
第一次直奉战争的战场分东、中、西三路，其中西路京汉线战场为直军布防重点，战况最为激烈，对战局进程的影响也最大。4月28日，直军首先进攻西线奉军司令部所在地长辛店，与奉军展开激战，直军一度攻入长辛店，后因奉军来援而退出。29日，奉军与直军激战良乡，两进两出，直军反败为胜，终保有良乡，并进至长辛店。自30日到5月2日，直奉两军集中西线兵力数万人，在长辛店及其附近地区连续展开三日大战，其间炮火之猛烈、战况之激烈为北洋时期军阀内战中之少见，双方反复拉锯，死伤惨重，各折旅长一人（直军旅长董政国，奉军旅长梁朝栋）。奉军炮兵实力明显占优，炮火较为猛烈，“如此滥用炮火，为欧洲战事中所未见”。但吴佩孚的战术运用较为灵活，注重扬长避短，以步兵进行夜战和运动战，既可避开奉军炮火，又因地利而使奉军处于被动地位；奉军骑兵本为其强项，但在狭窄地域用处不大，而且用于正面作战，难免炮火袭击，结果“直将骑兵作成无用之物，与原计划全相违背”。
同时，直军渊源于北洋军系正宗，作战训练、经验与历史均强于出身“草莽”的奉军，从而逐渐掌握了战场主动权。直奉双方还出动了当时很少见的飞机助战。“直系利用其航空优势，派飞机在长辛店投掷重磅炸弹，对奉军弹药、给养、车辆等军用物资实施轰炸，炸得车辆翻滚、轨道纷飞，房屋震塌，并引起弹药爆炸和炽烈的燃烧，使奉军的前后方同时受到极大的威胁”。5月4日，吴佩孚亲临前线督战，直军向奉军发动多路进攻，并利用奉军邹芬部第十六师原为直系冯国璋旧部的关系，诱迫其降直，致奉军自乱阵线，“骤然退下，致不可收拾”，战场态势开始对直军有利。奉军“子弹不继，士无战志”，主帅张景惠信心动摇，未能坚持，先是退往丰台，继又脱离指挥，乘车逃往天津。奉军失去统一指挥后，全线溃退，直军连占长辛店、丰台。5日西路战事以直军获胜而告终。
中路津浦、京汉线之间战场的战斗主要发生在固安。29日大战开始后，直奉双方互有胜负，奉军于29日和5月1日两克固安，但又被直军两度夺回。奉军新锐张学良、郭松龄部加入战斗后，战况愈加激烈，直奉相持不下。为了占得主动地位，直奉双方主将吴佩孚、张作相均亲临前线督战。“奉军对于此路，本抱极大希望，故不惜重大之牺牲，而卒为直军尽力制止，不得逾固安一步”。结果，奉军首先不支败退，5月4日，直军连克永清、杨村、落垡，张作相败逃天津。5日直军占廊坊，中路战事又以直军获胜告终。
东路津浦线战场以大城、马厂为重点。战争开始后，奉军初时在东路占有一定优势，29日占大城。30日，直军后续部队开始反攻，与奉军在大城一线展开反复激战，5月1日夺回大城，此后双方争夺的重点移至马厂。3日，“直军忽得中路胜讯，士气大奋，奉军始不支，向唐官屯、静海败退。直军遂克马厂、青县”。4日，直军在西、中两路连续获胜的消息传至，奉军士气大受影响，主帅“张作霖一日夜连闻中、西两路败讯，知大势已去，遂带六车头，运残部万余人，离军粮城奔滦州”。战局发展至此，奉军一路败退，直军胜势已定，4日占静海，7日追至前奉军总司令部所在地军粮城。随后，吴佩孚将司令部移至军粮城，下令直军对奉军溃兵“赶速设法收束，解除武装及枪支，发给川资执照，遣送回籍。如有抗拒，不受收束者，应按照土匪，一律痛剿”，准备一举消灭奉系入关的军事力量，并摆出进窥东北的态势。吴佩孚甚而致电张作霖，奚落他说：“胜败兵家之常，无足介意，退兵须按秩序的退却，如公无力制止，佩孚助送出关。”
直系在军事上获得胜利的同时，迫不及待地开始了对奉系的政治清算以及对己方的政治犒赏。5月5日，战争尚在进行中，大总统徐世昌即向直系主动示好，将“此次近畿发生战事，残害生灵，折伤军士”归罪于梁士诒等“构煽酝酿而成，误国殃民，实属罪无可逭”，下令将梁士诒、叶恭绰、张弧即行褫职并褫夺勋位勋章，逮交法庭依法讯办（梁等不能束手就擒，即行离京赴津，7日乘船赴日）。5月8日，曹锟发表通电，故作姿态地宣布，此次战争为张作霖“不惜甘冒不韪，首发大难”，而直系获胜则为“由人心公理战胜强权”，“穷究祸根，皆张使一念，争攘政权所致”。吴佩孚也在对记者发表谈话时，要求惩处张作霖，褫夺其职务，并威胁非如此即不回洛阳。
曹、吴要求惩罚张作霖的表态，容不得还在直系实力威胁下讨饭吃的大总统徐世昌斟酌犹豫。5月10日，徐世昌发布大总统令，下令裁撤东三省巡阅使、蒙疆经略使职，免去张作霖东三省巡阅使、奉天督军兼省长等本兼各职，听候查办。因为东北当时还是奉系地盘，直系势力实际上无法插足，故徐世昌仍任命奉系人马吴俊陞署奉天督军，袁金铠署省长，冯德麟署黑龙江督军，史纪常署省长。这也是直系企图在奉系中打入楔子，以在政治上淆乱奉系阵线的招数。但张作霖虽然在军事上大败，却仍牢牢控制着东北地境，以吴俊陞等之实力及其与张作霖的关系，当然不会贸然有代张之心，故他们不仅未接受徐世昌的任命，还发表公开通电，以“北庭乱命”称徐之命令，表示“概不承认”。
直系碍于种种原因对东北还无力取之，但对紧邻其大本营的河南则是另一种态度。吴佩孚自洛阳北上后，河南督军赵倜暗通奉系，有独占河南之意。5月5日，在奉军已趋败退的形势下，赵却发表通电，宣布河南“严守中立。凡有加入战争之客军过境，均须一律卸除武装。如或不谅此衷，有意破坏中立者，河南为正当防卫计，自当不畏强权，唯力是视” 。其弟赵杰又率部攻击郑州，“起事原因，闻系交系造谣，谓吴使（吴佩孚）遭不测。赵杰认以为真，遂即发难”。由此大大激怒了视河南为其后方根据地的吴佩孚。10日，徐世昌在吴佩孚的压力下，下令免去赵倜的河南督军职，听候查办；调陕西督军冯玉祥为河南督军，刘镇华署陕西督军。赵倜本还不愿轻易离职，但在冯玉祥自陕西向东、萧耀南自湖北向北，对河南两路夹攻的军事压力下，被迫于11日通电遵令下台，河南地盘完全落入直系手中。
奉军在直奉战争中全面失利之后，向关外败退的张作霖先是停留在冀东滦州，并于5月12日宣布“自主”独立，观察形势发展，收束分途向关外败退的部队。“奉天内部甚为团结，此次竭全力由滦至奉，步步为营，似作久战之计”。其后，直军继续压迫奉军，5月20日直军占滦州，张作霖随即下令奉军完全退至关外，准备利用关内外相对隔绝的地理形势，拥兵自守。
5月19日，奉天省议会在张作霖的授意下，宣布响应“联省自治”口号，在东北实行“闭关自治”，推举张作霖为东三省保安总司令兼奉天省长（6月4日改称东三省自治保安总司令，孙烈臣、吴俊陞为副司令）。26日，张作霖回到老根据地奉天，并向全国发出通电：“宣布东三省一切政事与东三省人民自作主张，并与西南及长江同志各省，取一致行动。拥护法律，扶植自治，铲除强暴，促进统一。”
虽然吴佩孚希望利用军事上的胜势，直捣奉军关外老巢，直军将领王承斌还请吴佩孚联衔通电讨伐张作霖，但东北毕竟是奉系经营多年的地盘，“张之势力在奉，分毫未减，专制尤烈”；且东北为日本经营多年的传统势力范围，日本当时虽对直奉战争保持克制，持中立立场，但也不能容忍有英美色彩的直系势力伸入东北。日本陆军大臣山梨半造曾明确表示：“万一将来战事之结果乱及日本权利有重大关系之东三省……则军事当局实有相当之考虑。”
加之孙中山在南方兴兵北伐，内外形势不容直军再进。吴佩孚遂令前方将领，“莫由海道进攻，因赣事吃紧，前方动作须格外审慎”；“以时机环境察之，不宜通电申讨，宜相机进行。现当徐（世昌）退黎（元洪）来，如黎果以各方面之敦促入京，前提既定，余可易于解决也”。因此，直军兵至山海关而不得不停止，与奉军对峙于关内外。
为了解决直奉战争的善后问题，在英国教士杨古、美国教士普来德的调停之下，直奉双方代表自6月9日开始在秦皇岛进行议和交涉。14日，张作霖致电鲍贵卿，表示“元首如诚意息战，宜令彼军停止攻击，议定双方撤退办法。弟必勒令前方将士，撤出关外，以听解决。现已严令前方将士，不准进攻”。双方实际达成了不再战的默契。17日，由王承斌、彭寿莘代表直军，孙烈臣、张学良代表奉军，在秦皇岛附近海面的英国“克尔留号”军舰上签订了停战协定。主要内容为：一、直奉两军同意罢兵；二、奉军撤离直境，直军亦不得入奉境；三、双方军队于18日至20日之三日内撤离前线，脱离接触，奉军撤完前，直军不得有军事行动。协定签订后，双方划滦州以东、锦州以西为中立区，双方在此驻兵均不得超过一旅。此后，直奉双方如约撤兵，7月4日，直军司令部撤离滦州。次日京奉路恢复通车，直奉战事终告结束。
张作霖退出关内回到关外后，在东北划疆“自治”，埋头练兵。7月3日，张作霖召开东三省军事会议，决定对北京政府守中立态度，不接受任何方面之命令及调解，并认真训练三省军队，准备以后与直系再作军事较量。16日，张作霖将巡阅使署与督军署合并，成立东三省保安总司令部，自任保安总司令，孙烈臣任副总司令，下设参谋、副官、军务、军需、军法、军医、秘书处。25日，张作霖宣布东三省的财政收入全部归三省所有，作为军政费用，不受任何方面的干涉，亦不接受北京政府的命令。8月31日，东三省议会联合会拟定联省保安规约，主要内容是：东三省联合为自治区，拟定规约，军民共同遵守；自治权由三省人民共主之；人民权利义务遵照旧约法；实行军民分治；省长由省议会选举；共同立法由三省议会联合会行之。对张作霖如此“独立”之举，北京政府亦无可如何，只能听之任之。
与北洋军阀掌权时期的几次大战相似，第一次直奉战争在战前经过较长时间的政治较量与酝酿，但实际的军事作战时间并不长，动员程度也不高，牵涉军力、人力与地域亦有限，军事作战的烈度与战前双方的政治高调并不匹配。战争善后及对失败者的处置也无非是走过场的形式，如时人所论：“此次奉直之战，当其发动时，风波激荡，全国震撼，勿论两方遣将调兵，汲汲不遑，即关系各省之互相牵动，举国人民之奔走惶骇，亦大有不可终日之势。及既接战，以两方筹备之久，酝酿之深，大兵接触，亘数日而胜负难分。吾人观其初战斗之猛，死亡之众，大将之在前敌者，频以死伤闻，而后方之调遣，尤汲汲不遑，方以为此次战事，其始既如是其可惊，其后必将有如何震天动地之事，以更令吾人惊骇不置者。而不谓数日之间，胜负立判，奉军仓皇溃退，大有不可收拾之势。”
就战场表现而言，“此次直军战略多智术，如各小部队之诱敌与埋伏地雷、乔装、暗杀等，奉军每中其计。奉方则马队、炮队均甚得力，且俱勇敢无却，惟智术经验上实逊一筹”。作为直系的对立面，曹汝霖对此战有持平之论：“双方均拥兵十万以上，势均力敌，不相上下。惟将领方面，似直优于奉。况吴自领之第三师，及后编的三混成旅，久经战争，尤善于迂回山岳之战，故开战以后，旗鼓相当，攻击猛烈。初则屡进屡退，不分胜负，奉方恃火力之强，马队之勇；吴方善攻人弱点，乘虚奇袭，加以接济方便，奉方接济辽远，于是吴方占优势，奉方渐渐不支。”
不过，奉方自身的总结对骑兵（马队）的评价并不高，王永江认为：“此次最误事者，为骑兵集团。许司令（许兰洲）本不长于骑兵，亦不谙骑兵之作用，而其所用之常参谋长（常荫槐），亦系不晓军务之人，且于总部计划亦不明了故。总部原计划骑兵必须集团者，其目的在绕出敌军战线，或扰其侧面，或扰其后路。今许司令乃用为正面作战，大城白洋淀一役，直将骑兵作成无用之物，与原计划全相违背，岂不可惜！”
也有在华的外报将直奉战争比之为“民国第一大战，纪律战术均为进步”。据驻京外国公使团派出的观战人员在战地现场观察的印象：“直军多谋，长于夜战，奉军勇往，长于昼攻，惟直饷械远不及奉”；“直军战法强于奉军”；“双方军队布置整齐，战斗亦悉合程序，使团观战人员颇为赞美。”
就政治意义而言，直奉双方虽然在战前的电报战中，都在拼命抬高自身行动的“正义”性，痛贬对方行动的非“正义”性，然军阀对垒，所在多为利益，其实本无所谓“正义”而言。不过，直方以吴佩孚为代表，较谙民众及舆论心理，通过此前声讨梁士诒内阁和战前对奉方的攻击，更善于塑造己方的“爱国”形象，而将对手塑造为“卖国”代表，从而为交战双方划出了“政治正确”的界限。近代以来，中国在对外交往中处在弱势，民众及舆论出于对中国悠久历史及辉煌文明的追忆，天然推崇“爱国”者，而对“卖国”与否则高度敏感，故吴佩孚将对手定义为“卖国”的宣传技巧与成效显较奉方为成功。
结果，即便是与奉系为盟友的皖系大将徐树铮也承认，“奉之败退，久在意中，吴胜祸小，奉胜祸大，天下莫不同此心理”。甚而在不少外国人眼中，当时的张作霖是“藉日本的援助以自固其势力的，他在中国是一切保守势力的代表”，而吴佩孚“却被人家认为有自由主义的倾向的人。他是一个能干的将军”。这至少说明，吴佩孚的公众形象胜过张作霖，如果追溯到直皖战争时期，以吴佩孚和段祺瑞相比较亦如此，因此，或可以此解释“民意”在战争中的作用。
第一次直奉战争及此前此后的多次军阀内战，亦反映出北洋时期的军事政治特质。民国年间，中国仍处于现代化转型的艰难过程中，经济落后，交通不便，社会组织、社会参与与民众动员程度均不高，不足以支撑大规模长时间的现代战争。“因为饷械都有限，战争的期限很短，战争本身的破坏性也不很大，死伤的人数远不如投降和逃亡的人数。因此战争的结果总是：（一）控制北京政府；（二）扩充地盘；（三）收编战败者的军队。换言之，这些都是分赃的战争，分赃不公平也就为下一次战争种下爆发的原因”。战争本来是基于各种利益之上的政治矛盾对抗的激烈化结果，而北洋军阀各派之间系出同门，虽有利益之争，却无本质的政治分野，互相之间并非完全是你死我活的关系，而且在组织架构上间有重合，各级将领互有联系，所谓你中有我，我中有你，无论谁胜谁负，胜利者都不太可能对失败者痛下狠手，其政治上的清算也多为点到即止。再加上各派实力大体平衡，掌握的政治军事资源均有其限度，内外关系又错综复杂，互相牵制，即便一派控制了中央政权，也无非是挟天子以令诸侯，不可能形成为高度集中统一有效的中央权力，控制中央的表面意义大于实际意义。第一次直奉战争也反映出上述各方面的特点。
战争的结果，在军事上，直系获胜，力量发展至鼎盛期，但势力扩张的结果，也隐伏着力量分散、矛盾复杂、恃骄而衰的结局；奉系失败，但实力地盘犹存，并未伤筋动骨，仍存励精图治、卷土重来的可能。在政治上，直系此后控制了北京中央政府，到处伸手，扩张地盘，获取利益，但也由此成为其他各派力量的“公敌”，反处孤立之境；奉系失去了对北京中央政权曾有之影响力，全国性政治地位大为下降，但也由此促成了奉、皖、粤“三角同盟”的加速形成与稳固，政治上反处可以联络各方之主动地位。而且东北特殊的、与关内相对封闭的地理环境，较为丰富的物质资源，迅速发展的现代经济与交通，以及日本与奉系较为紧密的利益关系，都有利于此次战争失败后，张作霖与奉系在东北治疗战争创伤，恢复元气，整军经武，为再起创造条件。因此，第一次直奉战争之后，直奉双方仍然维持着一定的力量平衡，奉系暂避直系锋芒，而直系亦不能将奉系置于死地。直奉战后的国内政局重心，由原先之直奉矛盾转为直系为控制北京中央政府而引发之各种内外矛盾。
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