1924年9月3日，张作霖在大帅府召开紧急军事会议，宣布出兵讨伐曹锟、吴佩孚。15日，奉军主力倾巢出动，向山海关和热河方向移动。
张作霖的奉军入关兵力为15万，加上后来陆续增加的援军，总兵力约20万。曹锟、吴佩孚的直军可以动员的兵力不下二十万，这还不算其他各省的直系督军的援军。从兵力上来看，直军占有优势，但是奉军在第一次直奉大战惨败后，经过两年的整军经武，战斗力有了较大提升，尤其是武器装备胜过了直军。
入关奉军编为6个军，张作霖自任总司令，第一军军长姜登选，副军长韩麟春；第二军军长李景林，副军长张宗昌，进军朝阳、凌源之线，出冷口；第三军军长张学良，副军长郭松龄；第四军军长张作相，副军长汲金纯。驻兴城、绥中一带为后备队；第五军军长吴俊升，副军长阚朝玺。进军赤峰，出承德；第六军军长许兰洲，副军长吴光新，出建平，平泉之线，威胁直军侧背。
其中，主力部队为第一军、第三军，为了便于作战，张作霖组建了第一、三联军司令部，联军攻击山海关正面，至九门口迤北之线，并配属了两个飞行大队。
奉军出兵后，曹锟连忙召吴佩孚到北京，9月17日，吴佩孚就任讨逆军总司令。
紧接着，吴佩孚在四照堂部署对奉军的反击，他由于在二年前大败奉军，所以显得非常轻敌，他下令分设三个军，第一军以彭寿莘为总司令，陈兵于山海关正面，作主攻部署；第二军以王怀庆为总司令，出朝阳；第三军以冯玉祥为总司令，出赤峰，绕击奉军后背。此外，吴佩孚还部署了各路援军，只是他没有想到，各省的直系督军坐观成败，救援并不积极。
据参会的冯玉祥后来回忆：吴佩孚在四照堂点将时，显得随心所欲，心不在焉。他穿着随便，“胸口敞着，纽子也不扣，嘴里吸着一根纸烟。他坐到座上，即盘腿在椅子上坐下，斜身靠住条桌，那种坐法，宛似一位懒散的乡下大姑娘”。
第二次直奉大战，全局的战斗并不激烈，只有山海关方面和冷口、界岭口方面两路有较为激烈的战斗，其他方面均未发生大的战斗。
战斗首先在热河打响，奉军第二军李景林、张宗昌部，兵分两路进热河。热河的直军地方守军，战斗力很差，一触即溃。奉军一路未受抵抗，10天内就攻占朝阳。９月底，奉军第二军的先头部队抵达冷口附近，奉军对直军大包围的形势已出兵形成。
山海关方面的主力战斗，起初奉军动手较晚，让直军彭寿莘部占了先机。彭寿莘凭借有利地形，居高临下，可攻可守。9月28日夜，山海关方面的直、奉两军开始接触，经两天的激战，奉军夺取了九门口的东口。到10月中旬，战斗一直激烈进行，奉军第一军突进九门口，占领荒山口。郭松龄部猛攻山海关正面，但遭遇直军的顽强抵抗，一时形成胶着的对峙局面。
10月22日，奉军第一、三联军召开军事会议，会上，郭松龄主张突袭九门口。第一军军长姜登选以第一军在九门口已经取得很大战果，不同意把山海关正面部队调出转移到这方面。两人争执不下，竟至发生口角。口角中，涉及战斗中人事调换问题。
原来，二旅的炮兵陈琛团配属于第一军，在九门口作战。营长阎宗周素与陈琛不睦，战斗期间，陈琛向姜登选军长报告，说阎宗周作战不力，于是姜登选下令将阎宗周撤职。阎宗周向郭松龄告状，郭松龄大怒，亲写命令撤陈琛团长职，恢复阎宗周营长职。这就种下了郭松龄、姜登选之间嫌隙的种子。
前嫌未释，会上郭松龄、姜登选互不相让。会议上，郭松龄不听张学良的劝阻，竟然拂袖而去。姜登选向张学良说：“茂宸此举，有犯军法。”
郭松龄意气用事，极不冷静。当晚，郭松龄来到宋九龄旅部，下令宋旅后撤，阵地由高维岳旅接收。接着，郭松龄带着几个卫兵骑马向后方而去。宋旅当即撤退，高旅迅速接防。
第二天早晨8时许，张学良闻讯赶来，令部队停止移动，并问郭松龄的去向。宋九龄指示方向，并说按照时间计算，应该走了有二十余里了。
张学良急忙追过去。郭松龄离开约十余里，停在一棵大树下，随从极力劝解。张学良追至，两人见面痛哭，经张学良劝说，郭松龄回到宋九龄旅部。张学良责怪郭松龄说：“你搞的什么事，我应当打你嘴巴。你若不是我哥哥，一定狠狠打你一顿。”
郭松龄沉默无语，部队后撤这件事发生在夜间，幸亏直军没有察觉，否则后果不堪设想。
张学良走后，郭松龄让宋九龄旅的3个步兵团、1个山炮营，突袭九门口。部队以急行军速度，夜间行军，白天休息。27日夜，宋旅到达九门口。穿过山间峡谷，于次日晨４时发起猛烈攻击。九门口直军不敌，全线崩溃。
29日拂晓，郭松龄占领九门口内重镇石门寨。下午时分，宋旅占领北戴河，郭松龄率第三军其他部队占领了秦皇岛。当晚，郭松龄留一个团于秦皇岛，命令其余部队向前推进，扫荡直军。至此，奉军在战斗中，夺取了先机。
郭松龄所部能取得如此大的战果，一方面固然是郭松龄确实有军事才能，但是起到决定性作用的，则是直军的冯玉突然回师北京，囚禁了曹锟，断了前线直军的后路，导致直军军心动荡，无心再战，最后一败涂地。
