郭松龄回师关外，开始时张作霖措手不及，因此败讯频传。可是郭部并未能制敌机先，以迅雷不及掩耳手段一举攻入沈阳，遂使张老将有从容部署的时间。
11月30日吴俊升由黑龙江调派步兵两旅、骑兵四团、炮兵一团驰援奉天，由于中东路当局拒绝运兵，因此吴部乃由洮齐铁路出四平街，开赴战线。阚朝玺奉张作霖令带兵退锦州，参加攻郭；同时邢士廉二万人由海口运抵营口，即由海道运赴连山湾，攻郭军的侧背。
12月3日郭军占兴城，分向连山、锦西进攻，郭军有一旅归降奉军。锦西守军汲金纯部抵抗郭军，战况激烈，张学良总司令部由连山移锦州，奉军一方面在连山、锦西前线冒雪作战，同时在后方锦州及大凌河间筑壕，作为第二线防御阵地。4日万福麟的骑兵旅由锦州胁迫郭军之背，因此进攻连山的郭军乃向后退。
奉军左翼，配置在连山附近者为汲金纯军，中央为张作相、万福麟军，右翼配置在锦西方面为张九卿之骑兵旅。5日未明时郭军作总攻击，逼近连山正面之精兵两大队，诈降奉军，乘奉军将其输送向后之际，突然包围汲金纯军之一团，将其缴械，且从背后扰乱奉军之左翼。张学良闻变，立推出总预备队，下令全线，转为逆袭。但因从中央亘左翼之奉军连络不充分，后又遭魏益三所率之郭军炮队之猛击，各军转成总崩溃之势，纷纷乘火车退却。至大凌河，将铁路桥梁毁坏。当天郭军进占锦州。继而奉军复退，沟帮子亦为郭军占领。郭于8日晚亲抵锦州，张作相以战事失败，6日回奉天，外间传说张作相劝老将洁身引退，于是张下野说，一时风传。且有奉天日本总领事内山代携和平条件赴新民屯议和之说，但未两日即烟消云散。因12月8日奉天军官会议，决定重整旗鼓，作最后之决战。前线军力集中运用仍可反败为胜，统计总兵力为张作相军二万八千、汲金纯军八千、汤玉麟军四千、总预备队张学良一万，总数共计五万，有野炮百尊。至作战方略，系固守辽河，以待李景林与国民军间胜负之分晓，并在辽河左岸，筑长约一英里之坚固垄壕，后方另筑一铁路，其后接连京奉铁路，而在该路上配置装甲火车及货车。这时辽河已经结冰，人马可以往来无碍。张学良置司令部于火车中。
15日郭军攻陷新民屯，张学良退守辽河。
郭松龄虽掌握了奉军的精锐部队，可是出关后并不如他预料那么顺利。
第一：李景林变了。冯玉祥和李景林的军队在直隶打得不可开交；郭无法依靠冯军的支援，更要分出一部分兵力（魏益三的部队编为第五军）留在后方，防阻李景林。第二：天气严寒，北国冰封，郭军仓促出关，冬天的装备不够，只能躲在火车中，顺着铁路向前推进。第三：照理乘火车向前推进一定很快，其实不然，因为奉张方面已把路轨破坏，幸而郭军中工兵团完整，所以路上边修边进。这还不打紧，张少帅接受他的英国顾问的建议，把铁路沿线的水漕破坏，火车头没有水等于没有煤，动弹不得，雇民夫挑水，费的时间就大了。第四：郭松龄抬着张学良的旗号反张作霖，可是正面阻挡郭军的，正是张学良，郭的部下知道少帅在前面，战意和士气大为减低，很多将领都暗中向少师通款曲。第五：吉林和黑龙江的骑兵及时来援，是郭军致命的打击。
当12月下旬，郭军已经推进到辽河，双方就在辽河两岸对垒，郭军指挥部设在新民屯，张学良的指挥部则设在兴隆店，辽河距离沈阳只有十里，两军互轰的炮声，沈阳清晰可闻。
少帅的兵还是少得可怜，连官长都抬了机关枪上前线，但因为有辽河横亘，可以阻挡郭军。当时天寒地冻，辽河每夜结冰，军队可以履冰而过，所以少帅方面每天晚上都由士兵在岸边用铁铲穿冰，沈阳城内家家的铁铲都被征用，穿冰是为了使它不能凝结，郭军遂不能履冰而过辽河。
少帅在兴隆店经常和郭军的将领通电话，有的电话透过日本军用电话线，郭军中重要将领几乎个个都和少帅通过话。
奉军内变之初，日政府恐战事延及满蒙，影响日本利益，所以陆军当局派白川关东司令官急赴奉天，与张作霖协商，拟照去年奉直战争成例，满铁沿线及其它地区绝对不许作战。当时日本在东北的兵力共有八营，拟加派一团，警备长春以南。并派驱逐舰“相”号赴秦皇岛。11月26日，命驻铁岭之旅团，预备开拔赴奉，因此盛传日本拟向东北增兵。
不过日本舆论界则认为并无必要，因为现在东北的日军兵力已够保护日侨生命财产，如有必要，再行增加。11月27日徐树铮在日本曾往访日本币原外长，交换意见，要求日方对于段执政作特别之援助。币原答复全是外交官腔，他说：“为增进中国民众幸福起见，自当援助，但以不干涉内政为前提。”第二天徐又访加藤首相，所答大致相同。28日，日本阁议决定奉天战争非至日侨生命财产有危机，决不增兵。12月1日又开阁议，讨论中国内乱政策，认为满蒙日侨生命财产之保护，可由驻满警备军一部分担任，无需再由日本派兵。
郭松龄方面最担心日方帮助张作霖，所以一再要求日方严守中立。并派殷汝耕赴大连，与日人接洽疏通。12月4日日本阁议对于郭、冯之要求中立，暂守静默。陆相宇垣对人发表意见，谓奉张之盛衰，不是重要问题，日本侨民之生命、财产既得权，不能不保护。
郭军在冰天雪地中陷于苦战，而李景林的拒郭，使得郭军走上孤军无退路的境地，因此从12月下旬起，郭军的战意为之瓦解，士气极为低落。
郭松龄感觉到将会面临失败的命运，他于12月22日在新民屯一个粮站召开军事会议，与会的高级将领都显露了疲困之色，郭向他们宣布，自己准备亲上前线督战，可是与会将领都低首不语，简直等于是拒绝郭的提议。郭见到这个情况，知道大势已去，长叹一声，宣布散会。这时已是午夜12时。
郭在散会后即布置自己逃走，23日晨2时郭夫妇乘车离开新民，他的运气不佳，走到辽中县老大房村（距离新民40余里），遇到奉军王永清部的骑兵突袭，郭的卫队都是些小孩，经不起骑兵的冲锋，和郭同行的林长民被流弹打死，郭夫妇下车步行，奉军搜查，发现郭身上有他自己的名片，于是郭夫妇双双被俘。
轰动一时的郭松龄倒戈事件遂告结束。
郭松龄夫妇被俘后，军中即向沈阳张作霖处请示如何处置，沈阳方面获得这项消息后，张作霖说：“把他押来，我倒要问问他为什么要造反？”据说杨宇霆主张就地枪决，免生后患。杨和郭是死对头，杨怕郭见到了老将说出许多不中听的话，所以极力主张就地枪决。
郭被俘后，还写了一封信给张学良，请张看顾他的老母。
张学良在23日即渡辽河，进入新民屯，召见郭军的各高级将领，抚慰伤亡，由于郭军全是张的部下，张到了郭军中，就像回到自己家中一样，郭军见到少帅，亦欢声雷动，欣见故主。
沈阳方面对于处置郭军，有人主张从严，为首的一律应予处决，张老将征求张作相的意见，张作相不以为然：他说：“郭鬼子闹出这么大的乱子，也是有原因的，我们不能不先自己反省一下，自己也有错处。现在郭鬼子已经处决了，其他的人就不必多所罗织，如果一开杀戒，都是东北子弟，我们要结多少冤家？善后工作交给小牛子，让他从宽办理吧！”张作霖对他的把兄弟意见全部接受，因此郭松龄倒戈事件，只死了他夫妇二人。
张学良这年只25岁，就经历了这样一次天翻地覆的事件。他有他过人的长处，但这些长处后来被遮盖了。
张学良知人善任，能放手交付给他所信赖的人，因此他能得军心，也受部下爱戴。据说他父亲在申斥部下时，他常躲在邻室偷听，然后亲切慰问那些被申斥的人。他延用的部下，对他们的生活都很照顾，给的生活费都很宽裕。他重用和信赖郭松龄，郭松龄可以用他的印章发号司令。郭常对部下苛责或不原谅，张对郭说：“我如此信赖你，为什么你不能像我信任你那样信任你的部下？”
正因为他太信任郭，才让郭闹出了这个大乱子，可是也正因为他在军中有良好的声望，使他得以戡平郭乱——因为郭的部下一听少帅来讨伐，谁也不肯认真打仗了。
可怜的饶汉祥，在郭松龄逃走后，即由齐世英派了一名勤务兵护送出逃，不料在路上被奉军捉到，查问饶是何人？他回答：“是写字的。”勤务代答说是师爷，由于饶骨瘦如柴，一身肮脏，毫无惊人之处，所以奉军也认为是一个普通师爷，就叫他俩随军做点抄写工作，这样过了半月，才逃回关内。
郭松龄兵变的直接后果，是使奉军元气大伤，也使张作霖对奉军内部的改革停顿。奉军的没落，便敲响了北洋时代的丧钟。