北方群雄中，阎锡山处境较为自由，他虽然局面小，却可以闭关自守，待时而动，事实上他这时期成为各方所争取和拉拢的对象。奉张拉他，南方的革命军也暗中和他连络，尤其是西北方面的冯玉祥也和他敷衍。阎锡山从辛亥革命后就稳坐太原，只求保住山西。他不是没有野心，不过很能含蓄，守份待时。奉军入豫逐吴时，他邀请吴佩孚率领精兵到山西避难，吴佩孚不是寄人篱下的人，他曾经寄食自己部下，结果都不可靠，今天反而去投奔晋阎，以吴佩孚的倔强个性，当然不予考虑。
阎锡山和冯玉祥之间本有恶感，因冯得意期间，曾进攻山西，可是冯已参加了革命，阎如果要和革命潮流结合，就不能不敷衍冯。16年3月24日，阎、冯、靳云鹗设联合办公处于赵村镇，不过这只是阎的一种手段，因阎暗中和奉张仍时相往还。
阎锡山是一个微妙的人物，在革命党中他是参加开国的人物之一，民国元年就坐上山西都督的宝座，他和这把宝座好像如胶似漆，坐了上去就分不开。北方在民国初年是北洋军阀的天下，他亦附和北洋军阀，亦步亦趋。不管是革命党人，或是北洋军阀，阎老西坚守一个原则，他就是山西，他和山西是不可分的。在北方，皖系也好，直系也好，奉系也好，他表面上都和他们虚与委蛇，可是都不卖身投靠，因此北方派系此起彼落，对他都毫不发生影响。
国民革命军北伐后，阎锡山成为仅次于张作霖、吴佩孚、孙传芳之下的第四把交椅，可是他并不跟北方军阀走，16年初他便和南方革命军暗通声气。
早在16年6月3日，山西即改悬青天白日满地红国旗，阎锡山同时把所属12万晋军改编为北方国民革命军，由大同、娘子关两路移动，不过阎对张作霖仍维持良好的关系，他有代表常驻北京，张作霖也有代表驻太原。5日阎锡山电张作霖声明，晋军出动系因奉军北退，担心临时不易布防。仅驻东天门，现已停驻井陉，不再前进。当天太原开国民大会，拥阎担任国民革命军北方总司令。第二天阎就任总司令职，通电服从三民主义。6月28日张作霖派邢士廉赴太原与阎商议解决时局的办法，奉军在京绥路增加兵力两旅，防阻商震。邢士廉劝阎和奉张合作的任务未完成，阎驻北京之代表李庆芳则向张提取消大元帅府的主张，张、阎之间藕断而丝未连。
7月17日晋军占领石家庄，奉军退走正定，晋军向南推展至顺德。19日晋军徐永昌部进驻石家庄，奉军在正定、定州、保定布置三道防线。22日张作霖向山西代表提出晋军撤出石家庄的强硬要求，在保定、德州之奉军准备进攻河南冯玉祥军队。25日张作霖和张宗昌分别派遣代表赴太原向阎锡山提议，请撤走石家庄驻军以便奉鲁军南下进攻冯玉祥军，阎置之不理。
张作霖始终不愿对阎采取强硬态度，也不打算把阎逼上梁山，直到9月初才决定对晋用兵。
奉、晋战争的爆发，是由奉军检阅使于珍被晋军商震部队扣留而引起的，这是16年9月27日的事。这天由张家口开往包头的第一次客车过永嘉堡车站，铁轨忽被晋军拆毁，在这列客车中，挂有奉方大员于珍和赵倜等专车，他们是前往绥远检阅军队的，在阳高车站被晋车截留，解送大同。
张家口是奉军防区，当第一次客车失去消息后，张家口车站即不断向大同车站查询第一次客车到达何处，及由包头开往张家口的第四次客车何时到达？大同车站均无答复。奉军第九军司令部闻讯亦向阳高车站电询一切，亦无音信。奉军于是感觉到出了麻烦，当天下午晋军发动攻奉的消息遂传遍张家口。
奉军第九军长高维岳获知晋军对奉军攻击，以事出仓卒，乃急调军队开往前方阻御，而晋军已将柴沟堡实行占领。
阎锡山致电南京国民政府，宣布誓师讨奉。同时把晋军编为三个军团，共辖12个军，17个师，12个骑兵师，7个独立旅，共拥众20余万人。其编制如下：
北方革命军总司令阎锡山
第一军团总指挥商震
第二军团总指挥徐永昌
第三军团总指挥杨爱源
第一军军长商震（兼）
第二军军长杨爱源（兼）
第三军军长杨效欧（代）
第四军军长傅存怀（后升编为第四军团总指挥）
第五军军长李生达（代）
第六军军长丰玉玺
第七军军长张荫梧
第八军军长谭庆林（即骑兵军）
第九军亦为骑兵军在编制中
第十军军长李维新
第十一军军长王懋公
第十二军军长徐永昌（兼）
直辖炮兵集团长周岱
直辖骑兵集团在编制中
直辖第四师师长傅作义
晋北镇守使赵戴文
晋南镇守使张培梅
晋军的编制微近奉军，其军队组织和调动都非常秘密，阎锡山的统御术自有一套，保密防谍工作都做得很好，所以他能保持山西一省的完整。
晋军攻占柴沟堡时，张学良、张作相正在京汉线检阅军队，接到报告即于9月29日先后返北京。张作霖亦立即电召杨宇霆、韩麟春、张宗昌等入京会商。奉方在9月中旬本拟派与阎较接近之葛光庭赴晋接洽，晋军发动后，葛不果行，遂在京与尹扶一等联名电阎，促请避免奉、晋战争，阎复艳电，尚存模糊之语气云：
“尹仲雅（即扶一）兄鉴：接俭电后，即复艳一电：计已达到，关于误阻奉方官兵前进一事，已严责大同驻军切查。顷据复称，此次误会非出我方之自动，除另令阻止外，特闻。山。艳二。”
尹等接电后随即拟复电云：
“艳一电未收到，艳二电敬悉一是。顷谒张雨帅乔梓，亦称奉晋历共患难，万不能因一时之误会致生破绽。爱国爱民之忱，溢于言表，殊为可感。于司令此次检阅军队，实系预定计划，并有册籍可查。北方大局安危，系于奉晋两方，无端破坏，我帅谅不忍为。尚望转令前方，慎重动作，静候调处，并希速复。尹扶一、葛光庭叩陷。”
此电未能发出，因京晋间电讯已告中断。晋绥驻北京代表南桂馨、薄永济、李庆芳、潘莲如、张汉章等皆于27、28两日秘密出京。
自国民革命军北伐迭传胜利后，北方问题奉晋能否合作关键极为重要，奉晋之间虽有信使长川往来，但阎锡山对奉终存畏惧，奉张对晋阎亦有怀疑。当晋方获悉奉军大员张作相、张学良、于珍、赵倜等分路检阅军队，即认为有图晋之意，加上晋方所买军用品在天津被扣，京绥路款停止发付，奉方且亟亟索还石家庄，这些是晋方发动军事行动的近因。至于远因则当7月中旬，国民政府曾下令命冯玉祥攻山东，阎锡山攻河北，阎、冯奉命并没有行动，因为他们各有不能作战之原因。如冯玉祥对靳云鹗不能控制，又还未予以解决，倘冯有所动作，靳在其后发动，冯岂不是进退失据，而冯和唐生智关系也不好，冯既然自身立足未稳，焉有余力向外。而阎、冯之间隔阂颇深，阎对冯完全没有信心，既怕他，又厌他，认为冯在河南不肯出击山东是有意取巧。而冯玉祥也认为阎锡山取巧，向来坐收渔人之利，并且对奉军没有作战的决心，当奉军由河南退河北时，正是晋军截击奉军的大好时机，在那个时候阎都不肯干，则是证明阎完全没有对奉作战的决心。双方相互狐疑。迨至7月末，奉、晋妥协的传说颇盛，时冯的代表亦长驻太原，某日冯的代表到了大同商震防区，适逢商震在检阅军队，冯的代表亦获机参加，商震阅军时曾问士兵：“你们服从何人？”答：“商总指挥。”商再问：“除了我还服从谁？”答：“阎总司令。”商再问：“你们是什么军队？”答：“国民政府之军队。”商又问：“你们的敌人为谁？”答：“张作霖。”冯的代表亲眼见，亲耳听，大为满意，以此报告冯，冯对阎的疑虑于是大为减少，阎、冯之间隔阂为之消除不少。双方陆续互派要员说明各自困难，因此增加不少谅解，冯支持阎攻奉，而阎亦因有冯助才敢攻奉。
阎锡山参加国民革命，誓师讨奉的电文，是由山西驻南京代表刘朴诚于16年9月30日出席南京特委会报告山西情况时宣布，所以南京、上海的报纸均于10月1日披露，电云：
“革命本不得已之举，是以本总司令，虽师发在途，犹不惜委曲婉转，与张作霖周旋。原冀其有所悟悔，以期和平解决。乃半载以来，屡与开诚相商，终见固拒。近更庞然自大，盘踞北京，不谋与民合作，只求一己尊荣。且日肆以武力压迫国人。既无悔祸之心，何有改善之望。我师旅久滞于途而士怨，车辆常留军中而田荒，既忍无可忍，又望无可望，兹不得已，随诸同志之后，誓师北伐，以扫除三民主义之障碍，以达救国救民之目的。今与诸将士约：行军所至，必须不扰民。与敌相遇，必须不怕死。怕死者杀不赦，扰民者杀不赦。更与将官约：痛除地盘思想，省政由省人解决，国事由国人解决，以奠国基。尤愿国人以公平内政，图全民之协进。以改善外交，谋国际之平等。国事甚大，治理甚难，勿轻易，勿愤激，当忧深思远，慎重将事。敬为此誓！阎锡山。艳。”
阎锡山不是一个轻举妄动的人，如果没有周全的部署，他是不会轻于孤注一掷的。他在7月间即暗中策划，并且和奉方虚与委蛇。他的重心是从整顿军队入手，而整军工作以健全下级军官最为重要。因此曾在南方秘密网罗黄埔军校的学生到山西服务，从7月到9月，黄埔同学陆续至山西的，传闻已达两三千人，晋军中的排、连、营长多数都是黄埔学生。
奉方确知晋阎正式参加革命军讨奉行动后，最为痛心，据吴俊升对人发牢骚说：“奉方对于他人容有对不住之处，但对阎锡山总算仁至义尽。去年冯玉祥进攻山西，奉方不分昼夜，拚命赴援。事定之后，绥远地盘给予山西，铁路收入双方分取。追击冯玉祥败军时，晋方要求奉方勿过绥远，奉军亦即照办。要求奉军勿置重兵，至今平地泉仅有奉军两营。于珍经晋军防地而至平地泉检阅部队，随身所带不过参谋副官，足以证明奉方对晋毫无作战部署与准备。奉晋双方重要人员随时均有见面，奉方整理内部，点验军队，决无对晋作战之意，晋方代表在北京岂有不知，即有怀疑，亦不妨明白质询。今竟事先毫不表示即将于珍等人全部扣留，实在太不够朋友。”
吴俊升这种想法也可以说是奉方大多数人的想法，同时他们认为阎锡山自以为弃暗投明，可是在时间上的选择则非常错误，因为革命军阵营中正闹宁汉分裂，所以南方革命军势力不能给阎以强有力的支持，至于冯玉祥虽已消灭了靳云鹗，但阎、冯之间并不能水乳相融。所以这个时候奉方可以全力对付山西，如果解决了阎锡山，北方腹心肘腋之患就可以消灭，河南、陕西问题均可迎刃而解，北方统一可以告成，这是奉方的如意算盘。
16年10月2日张作霖发表讨阎通电，电云：
“（前略）阎锡山长晋有年，从前一切政变，向不参预。上年为冯逆所迫，围攻大同，蹂躏雁、代，晋北不保，太原垂亡。阎锡山信使往还，叠电告急，摇尾乞怜之态，如在目前。本大元帅以晋省系完善之区，晋民多纯朴之众。倘被赤徒恶化，地方不堪设想，用是激励诸军，力攻南口，接济械弹，救其灭亡。南口既下，大同解围。我军直趋绥北，转战数千里，兵无宿粮，马无积秣，甫克扫除绥境。功成之后，举土地、俘虏、械弹、战利品一无所取，拱手让晋，口不言功。此上年已往之事实，对于晋省人民，对于阎锡山个人，可谓仁至义尽，足以大白于天下者也。不意阎锡山狼子野心，认贼作父。年余以来，倒行逆施，反颜事仇，与冯逆相勾结。今年春间，竟于我军攻豫之际，出兵石家庄，意在断我归路，截我辎重。幸我军见机尚早，全师而归。当此之时，我军若问罪兴师，理无不可。本大元帅意存宽大，曲予优容，仍不忍以救晋者祸晋，非真于阎锡山之多行不义，毫无闻知也。自袭取石家庄，对于直境附近各县搜括骚扰，无恶不作，叠经派人疏通劝告，迄无悛改。其祸晋祸国之心，路人皆见。上月二十九日，突在大同附近，截劫火车，扣留我军官佐，并敢进兵察境，公然敌对。本大元帅维持大局，维持晋省之苦心，至此乃忍无可忍。兹已分饬诸军，实行讨伐。惟是上年驱除冯逆之后，北方大局，汔可少安。今阎锡山被人利诱，甘为戎首，是破坏北方大局者，阎锡山一人当负其责。本大元帅护国救民，始终如一。晋省军民，皆我一体。但期阡厥渠魁，决不穷兵黩武。倘阎锡山能悔过息兵，或其部下能自拔来归，仍当一体优容，不追既往。从前牺牲多数，尚能以绥、晋地归诸晋军，今虽不得已而对晋用兵，仍必顾全晋省真正民意也。特布区区，敬告有众。大元帅。冬。印。”
张电发后，复于4日另下讨伐明令，原文云：
“迭据直隶督办褚玉璞、察哈尔都统高维岳，先后电陈，山西督办兼省长阎锡山，擅调军队，盘踞直境井陉、获鹿、灵寿、顺德等十余县，并在石家庄遮断京汉路交通……。本大元帅以该督办素以保境安民为自全之策，此次种种妄举，或系受人煽惑，并非出自本意，故迭饬各地驻军，节节退让。所以曲予优容者，一则保全地方，不忍使三晋人民惨遭涂炭。一则阎锡山苟有丝毫爱国之心，冀其最后省悟，仍循正轨。讵该督办近复收编匪队，纵容滋扰深泽、藁城、晋县、无极等四县、荼毒生灵。突于九月二十九日，在察境京绥线永嘉堡、西湾堡破坏铁路，扣留客车，及中央检阅军队人员。同时并在石家庄一带，进兵侵犯各该地驻军，施行攻击，似此弄兵思逞，蹂躏地方，破坏和平，甘为戎首。既属人民之公敌，亦为国法所不容，应即听候严行查办。如系被人利诱，悔过息兵，仍当宽其既往，俾图晚盖。倘有抗拒情事，着由各路驻军一体痛剿，以维大局，而靖地方。其有被迫军官，准其自首，一经查实，免予追究，仍量加任用。倘始终不悟，甘心附逆，一律重惩，决不宽贷。此令。”
10月5日，张学良、韩麟春亦有微电至阎，电云：
“百帅勋鉴，顷得南京确报，知公与焕章定约，协以谋我，将信将疑，而贵军扣车拆路之耗又至，沉机一发，夫复何言。所不能已者，我两方数年合作之精神，千里驱冯之成绩，一旦毁弃无余，令人耿耿耳！民国以来，公既昌言保境，我方亦志在安民，玉帛往还，信使不绝。前岁焕章甘冒不韪，阴行诡道，煽惑友军，公与家君同申大义于天下，是以有张绥之役。道则相同，功则相让，奏凯雁门，酬庸绥远，未为过也。曾几何时，一变至此，良心迫我，如鲠在喉，故复略而言之。尝闻大人不顾小信，霸者不恤人言。不图今日亲承高义，我公高掌远距，非可以常格相绳。然不顾感情，当计利害，不泥小节，必为远图。今北方未残之局，公悍然冒为戎首而破坏之。黎元难欺，青史尚在！天下后世视公为何如人？此学良、麟春所未解者也。三晋河山，艰难缔造，十有六年。公苦心硕画，世所倾慕。今忽徇局外之诱，兴无名之师，徼非常之获，不至糜烂其民不已，表里山河，必无恙乎？此又学良、麟春所未解者也。夫荣辱在其所取，成败视其所与。论者谓公交邻之道善矣，今忽尽所为，为问北地胭脂之乱，所乱者何地？命乱者何人？公闻之否耶？大同怀左奸淫焚掠之惨，灭伦绝理，士民至今切齿，公知之否耶？公如云保守，不必视友为仇。公即有企图，何为认贼作父。人心固不可测，天性必无改移，证诸往事，为友为敌，固可了然。何去何从？岂容自误！公今所争，究为何事？所战究为何人？就令我军全数出关，北方大局，能统一乎？焕章交情能永久乎？苟一思之，不寒而栗。学良、麟春追随戎马之日久矣，天日不愧，何惧于公？而独为我公惧也。昨询仲雅，亦复无词。顾特表公诚恳，然则言与行背，得毋事与心违，往复百思，不得其解。彼方李二公，自为其友造机会耳……。今昔相衡，吾友安在？往事已矣，公既有必战之心，学良、麟春无退缩之理，鞭弭周旋，事非获已，临书待命，不敢告劳，即承动定不宣。张学良、韩麟春叩。微（五日）。”
奉张自获悉晋阎参加革命军讨奉后，就积极布置一切，并召京外各将领入京，张宗昌2日晚由济到京，韩麟春、杨宇霆3日晨先后由奉赶到，连开两次通宵会议，对军事方针大体决定：（一）津浦线由第一方面军扼要防守，暂持人不犯我我不犯人宗旨。（二）阎锡山此次反奉，系以冯玉祥为后援，此路最为重要，二七两方面军，应依照原定步骤，努力向汴郑发展，以断冯、阎之联络。此路副总指挥，仍以张宗昌、褚玉璞分别担任。（三）阎锡山因奉主力军在京汉线，故对京绥路猛攻，意在分散兵力。其实阎之目的，仍重在京汉线，此线由张学良、韩麟春担任指挥，先取守势。（四）京绥路方面决定由张作相、汤玉麟分担正副指挥，一切照原定计划进行，亦应先取守势。10月4日晨张作相赴京绥，张宗昌返济南，张学良、韩麟春率八大处人员往保定，又令吴俊升为东三省边防总司令暂驻奉天，仍兼黑省督办原职，事实上代行东三省保安总司令职权，奉军全部入关，由吴直辖部队任奉天守备，以固省防。奉方认为晋省实力不多，接济困难，利在速战，故主张退至险要地点，严阵固守，以待晋军之疲。同时张家口非可守之地，决计放弃，集中实力于康庄、怀来、居庸、南口。京汉则分定州、高碑店两路固守，待时而击。
晋军讨奉的战略，则已一变北方向来正面激战之老法，而多采旁击截攻之方，其最得意之便衣队，在京绥，京汉沿线时有出没。晋军进兵共分五路，第一路即系向张家口，而在柴沟堡激战。第二路由天镇向东南趋宣化。第三路由蔚县袭南口之后，意在附南口之背，俾京绥正面之晋军，可少牺牲。但奉军当局，亦已侦知，对此路甚为留意。第四路为石家庄，即在正定与奉军十五军激战。第五路在石家庄以南，沿京汉线，预备牵制大名之直鲁军。
晋奉两军在京绥、京汉两路实力，至少均在10万以上。
开战前奉、晋防军之分配情形大致如下：
（一）京绥线奉军以高维岳之第九军为主力，辖三师一骑兵旅。第十六师郭希鹏驻丰镇，第十九师孙德荃驻张家口，第二十二师窦联芳驻张家口，察区骑兵旅董怀清驻集宁县。此外驻宣化怀来一带者，为汤玉麟之十二军，热河后防，则为热军一部及于花山第八师等。晋军以商震为晋绥军左路总指挥，所有驻大同之第十四师李服膺，第十师李生达，驻包头第九师吴汉华，第五师王靖国，驻绥远之第一师李培基，驻归化之第三师杨士元，及谭庆林之骑兵等皆归统率。奉军以原防军兵力较单，业调涿州涞水昌县等处之吉军约2万人，赴宣化怀来增防。北京之孙旭昌师及邹作华炮兵一部，亦奉令开往西北增援。
（二）京汉线奉军大部皆属于三、四方面军团，辖军六，每军人数或三旅或三师不等。十五军汲金纯驻最前线正定，共有杨德生、白文林、鲍毓麟三旅。十六七联合军军长胡毓坤、荣臻驻定州，十四师秦永义、十九师李树林、二十师丁喜春、二十七师应振复、二十八师孙兆印、分驻定州、新乐一带。第八师万福麟，辖李振唐、赵有两师，及马占山之骑兵师驻保定。第十军王树常、十师刘辅庭、二十四师韩光第、二十六师杨正治，皆驻保定。二十九军戢翼翘，师长富占奎、黄师岳、何桂国，驻高陈、河间、任邱。此外十一军刘伟部，辖苏炳文、李万斛、安锡嘏三师，原驻津浦北段，近亦奉调一部开京汉助防。保定以北之吉黑军，共约2万余人，驻守高碑店。除一部赴京绥外，余仍留原防。晋军在石家庄者，以徐永昌部为主力，孙楚部担任前锋。
当奉、晋两军开火后，张作霖、阎锡山还有最后的往来电，阎电云：
“北京张雨帅鉴：奉晋夙敦和好，不幸以兵戎相见，实违初心。在我公固不免有所误会。在锡山实出于情不得已。鞭弭周旋，三舍莫避。膏血原野，言之疚心。方今革故鼎新，全国一致，民意所趋，顺应为宜，苟有解决途径，仍当开诚相与。锡山本无穷兵之心，我公夙有择善之意，特布巽忱，伫候明教。阎锡山叩。歌申。印。”
张作霖亦有复阎锡山电：
“太原阎百帅鉴，歌申电悉，五原克敌，我让绥区。石庄阻兵，我退正定。为顾全和好计，为北方大局计，退避威棱，岂止三舍。柴沟之役，衅自谁启？我军稍事抵御，即退张垣，其为对晋并未设防，亦可概见。此已往之事实，难掩中外人耳目者，自问坦白公诚，无不可告人之事，是非具在，误会何来。今既相见以兵，成败利钝，惟力是视。惟最后一言必须为公尽忠告者，认敌作友，与虎谋皮，败固无幸，胜岂相容？至功首罪魁自有定论。我辈作事，宜光明磊落，争千古不争一时，争曲直不争意气。解决之途，听公自择！不违之复，惟公察焉。特布区区。即候明教。张作霖。阳。”
自9月28日奉晋两军在柴沟堡冲突后，奉军高维岳军以事前未有准备，仓猝应战，似颇不利。奉军为战略上关系，放弃张家口，高维岳率部退宣化、怀来一线，与汤玉麟会合，张作相亦率援兵赶到，专守宣化以下的要塞，下花园为第一道防线，怀来为第二道防线，居庸、南口为第三道防线。10月3日晋军第九、第十五两军即已逼至张家口附近，但3日上午奉军已全部撤退，故晋军进入张家口后，立即出示安民。
从9月27日起到10月8日，这十天是奉军的布置期间，10月8日奉军已在京绥和京汉两线布署齐全，遂下令总攻击，原令略云：
“兹查敌军情状，纯为前进阵容，我军为巩固共和计，自应施行攻击。（一）本令到时，张学良、韩麟春应率领三四方面所辖各军队，由保定经过所设阵地，向石家庄进发。（二）本令到时，张作相、汤玉麟，应率领第五方面所辖各军队，由下花园经过宣化张家口，向大同进发。其万福麟部，仍照原定战线进攻。（三）本令到时，张宗昌、褚玉璞，应率领二、七方面各军队，由济南、徐州，经过东明、曹州、夏邑各地，向开封、郑州、运城进发，大军所到之地，务以安辑黎庶为主。”
奉张对晋阎下总攻击令后，奉军即在京汉线发动攻势，10月8日以前是晋军攻势猛烈，保定附近均有战争，奉方预定以戢翼翘、王树常两军分任左右两翼，中路故意引晋军深入以成包抄之势。10日戢翼翘率左翼军到定州，晋军归路果然被截断，全局动摇，石家庄亦同时被直鲁军孙殿英部及奉军骑兵集团张树森部所占领，因此在京汉路上，晋军大势遂去。
11日涿州虽曾一度被晋军所占领，但当晚即被击退。
张学良、韩麟春于10月11日由保定发出告捷电：
“此次阎锡山毁信灭义，擅启戎端，乘我不备，潜师进袭。在我本无一战之心，宁辞三舍之避。乃阎氏一再进兵，忍无可忍，为正当防卫计，不得不起与周旋。而军队散居各地，集中需时。昼夜兼程，师行二百余里。因彼进攻，诱其深入，我军士气风发，需知与我对垒者为晋军第二军杨爱源，第三军徐永昌，第四军傅存怀，第六军丰玉玺。第十军李维新各全部，当经我军迎头进击，复派二十九军戢翼翘，骑兵集团张树森部，衔枚急进，业先后占领定县、石家庄、包围侧翼，断其归路。敌军前线溃退，不复成军。是役毙敌确数计旅长二员，团长六员，营长以下七十余员，士兵约近万人，生俘官兵约数千人，步枪数千支，大炮数十尊，机关枪数十架，其他辎重无数。军资遍野，骸骨积山。晋民何辜，肝脑涂地。是阎氏一手之误，因利投机，阴行诡道，天夺其魄，自取败亡。足使背弃信义反复之徒，垂为炯戒。我大元帅诚心公道，天日为昭。威德广被，故能将士用命，迅奏肤功。学良、麟春何德何能，适逢运会，根求源本，士气激昂，一鼓歼敌者功什之一，天心佑顺，百验不爽者，功什之九也。现在分饬诸军，乘胜进击，分别缴械中。详情续达，先露布以闻。张学良、韩麟春。真未。”
当时在北方的军事观察家认为晋军战略上欠斟酌，分析当时形势甚有见地，特抄如下：
“一般人观察，晋当京汉主守，而京绥主攻，如占南口京师震动。奉军即在京汉获胜，亦当回顾后方根本。乃晋军不知如此，两路均采主攻，该军平日训练，又系守重于攻，今突取攻势，已嫌教育不够，而配置不合，亦为失着。盖京汉路晋军有六万，京绥路则只出有三支队。奉军退出张家口后两日，晋军方进，似终无急进模样。此路奉军原本最少，晋不以主力进取，诚奉方之幸事也。复次晋军有一大病，即兵力太分。奉军专守，力易团结，晋方两路同攻，此处置一旅，彼处进一团，奉军则预置防军，来则击之，凡此皆晋军战略错误，致不能收速战之利。晋更有一失算之事，即认为奉军三四方面之军，已不堪一战，故以重兵压迫京汉路，又希冀冯军可以加入。不知迂回计划成功仍出于三四方面之部队，而冯军来援者，又复不能踊跃，终致失败，可见用兵料敌之不易矣。不过奉军虽胜，但据干部人云，此次战争，奉系被动，晋主力既已损失不小，自难再战，奉方则始终认冯为敌，愿与阎友。阎此刻即罢战言和，奉不愿穷兵攻晋，诚以阎在山西，究有治绩，奉实无利其土地之意。且易一人去，亦未必便比阎好。不过阎受包围，恐已欲罢不能，奉亦只有相与周旋耳。”
自奉军在京汉路正面告捷后，奉军就控制了保定以南，可是当张学良报捷电发出后，京汉后路突起变化，距北京城百余里的涿州，于10月11日下午发现晋军三团将城占领，京保交通遂告中断，奉军卅军军长于芷山赶往指挥，12日将晋军击退，可是奉军甫撤，晋军又来，涿州二次陷落。15日张学良亲率劲旅会同于芷山等包围涿城，邹作华亦派炮兵轰击，结果又将涿州车站夺回，晋军仍据城坚守。26日张学良到松林店视察防务，随即下令于27日早发动第三次攻击，战况虽然剧烈，但奉军毫无所获，30日奉军第四次攻击，以张学良合卫队旅为中坚，万福麟亲自到前线督战，双方激烈战斗一日夜，涿州城虽然两度轰开，但卒未攻克。
晋军守涿州的是傅作义，这一战使傅作义大露头角。而涿州的攻防战也取代了京汉、京绥两线的重要性而成为奉、晋两军的主战场。观察家认为涿州若果为孤城，则守者无益，攻者亦可不必亟亟，于军事上自无重要意义，但两旬以来奉军总攻达四次之多，城失而复，高潮迭起。奉军除利用重炮作掩护而外，并预备泥沙五万袋，木杆数千条作步兵爬城之用。但涿城守军在城脚挖掘深穴，同时准备大量满盛沙土的麻袋，城垣遇炮轰开缺口时，沙袋立即堵塞，当奉军逼近城墙，守军机关枪及手榴弹同时齐发，因此进攻的奉军所受损失比起守城的晋军为大。
11月17日奉军第五次猛攻涿州，仍未得手，传说在这次攻击中奉军曾使用毒气，阎锡山为此致电张作霖质问，电云：
“张雨帅勋鉴，迭接涿县敝军傅师长电称，自铣日起至效日止，贵军用毒瓦斯弹，攻击涿城，人民因不明防护方法，受毒气而死者甚众等语。毒瓦斯国际间尚且禁用，况对国人乎？弟亦深知毒瓦斯之能杀人，所以不敢用者，亦以子孙须长久作中国人民，因一时之胜负，而为子孙得罪中国人民，想亦我公之不许也。阎锡山。印。”
张复电云：“阎百帅鉴，电悉，涿洲之役，傅作义受执事乱命孤军深入，以致粮尽援绝，坐待灭亡。越境而侵入，不能援城亡亦亡之义，负嵎而祸众，更难以效死弗去为宜。晋军何辜？而使效困兽之斗。涿民何辜？而使受鱼池之殃。凡此种种罪恶，皆由执事之认贼作父，一念之差，有以致之。毒瓦斯之用，外国人借以制生番，击野兽，涿州之寇也，穷寇也，笼鸟釜鱼，早晚间事，何须乎毒瓦斯。涿之民，良民也，虎狼入室，救之不暇，何忍出毒瓦斯。爱我涿州之民，欲除涿州之寇，一切精兵利器，屏置不用，仅用燃烧弹烟幕弹，以待逆敌之自决而已。若不顾人道，不爱吾民，则以我军数百万健儿，取此弹丸之地，不犹易如反掌，何致经旬不下耶？南北两路，逐数十万晋军如摧枯拉朽此执事所亲历者，何待于涿州之敌，而用此毒瓦斯也。今晋北绥远，已全归中央，平型、龙泉各关，已均收复，执事祸晋祸国，……已将终了，如能翻然悔悟，本大元帅不为己甚，何所不容，尚当量予保全。倘怙恶不悛，则将来攻取太原时，我之坚甲利兵，或当一试，以为背信灭义祸国殃民者戒。祸福之几，惟希自择。大元帅。
漾。”
奉军久攻涿州不下，使得在京绥、京汉两线的频传捷报为之黯然无光，尽管奉军以绝对的优势向晋军攻击，可是区区一个涿州城在傅作义坚守下，屹立无恙，奉军纵使作任何解释也无法令人满意。
自奉军开始总攻击后，10月14日在京绥路克宣化，15日入张家口，17日占领石家庄。10月18日张作霖下令颇有对阎适可而止，不愿过事逼迫，以拆散阎、冯之合作，令云：
“迭据张学良、韩麟春电呈，收复定县，正定、石家庄等处。张作相、汤玉麟、高维岳电呈，收复宣化、张家口等处。其涿州、门头沟一带之逆军，亦据报分别击散情形。查阎锡山附乱称兵，甘为戎首，本大元帅迫不得已，令饬各路将领，分途进讨。所幸旬日间，均告克捷，固由各将领督率有方，各军士夺勇用命，实乃天心仁爱，眷佑国家。……故在我虽仓卒应战，得以迅速奏功，在彼则师出无名，不得逞其凶志。惟此次战事，甚为剧烈，伤亡众多，作战区域，摧毁残破，同是国家土地，同属国家人民，何罪何辜，罹兹惨劫。言念及此，良用痛心。阎锡山首难殃民，罪有攸关，倘有悔祸之诚，本大元帅亦不愿过为已甚。若仍恃其顽强，罔知悛改，为国家大局计，惟有遣军进剿，以救晋民于水火涂炭之中。各该将领务当整厉精神，力加戒惕，毋得乘胜而骄，毋以多杀为贵。军入晋境，尤当严饬所部，毋得扰及闾阎。即逆军之将校军士，但非顽强抗拒，亦不得肆行诛戮。其有输诚来归，均准一体容纳。所有经过战事地方，被灾人民，着饬知各该地方官妥为抚辑，毋任失所。此次出力将领，业已明令分别奖励，其余出力官佐及阵亡将士，一并查明呈候从优奖恤，此令！”
此后京绥路一线进展极为神速，10月30日起迭克柴沟堡、怀安、天镇、阳沟等地。11月3日奉军占领大同，并由大同南攻，续进至山阴县。右翼抵朔州，正面迫攻广武、雁门。张作相率主力移驻浑源，在平型关之奉军于芷山军及龙泉关之王树常军则越过沙河镇及天营镇，攻繁峙县及五台。晋军商震驻代州指挥雁门及繁峙两路。阎锡山坐镇太原调度五台及娘子关军事。
11月9日汤玉麟报告郭希鹏师占领绥远省城，奉军进至包头。14日奉军占领平型关，山西险要渐失。但阎锡山缩短战线后，兵力已可集中使用，奉军进入山西，山西交通不便，运输困难，易守难攻。12月2日奉军于芷山曾有报告军一电云：
“第五方面军团司令部，因沙河镇、大营镇先后攻下，特令本军担任进攻繁峙之线，其北部之战线，系命高都统率师由茹越口下广武会合，决对雁门三路并攻，以便早日克复。惟敌军对繁峙、五台两线，联络最紧，攻繁而不防五，敌方必能自为策应，恐有牵掣之虞。现军长已命第二十九师孙师长（旭昌）率领各团，星夜南进，现得报告，距五台仅三十五里，沿途虽有冲突，多系谭庆林溃军，不堪一战，因敌之主力，确在五台也。至于繁峙正面，由军长亲率第八师分途进攻，敌方士兵因天气奇寒，皮衣缺乏，多无斗志，故势如破竹。惟闻敌在繁峙防御之工程，极为坚固，现我军前线距繁甚近，日内定有剧烈战事发生，又军部已于东（一日）日进驻蔡家峪。
附闻。”
12月7日正午奉军派出正式代表偕同北京的慈善团体代表及山西旅京同乡会代表持白旗进入涿州城，向傅作义接洽和平让出涿州城，傅作义态度颇为倔强，代表们不得要领，因傅作义提出的条件是全师退往山西，做为和平让出涿州的条件，奉方认为这个无可协商，于是和谈代表在涿州住了两天，9日晚出城，毫无结果，10日返北京。
奉方代表在涿州前后三天两夜，对傅作义的倔强态度印象颇深，并探悉城内晋军原有五团，计三团步兵，一团炮兵，一营工兵，一营机关枪。傅入城后即实行粮食管理，计养军民不下8万之众，被困虽已两月，士气民心都未动摇。
阎锡山由太原到五台，因繁峙情况较紧，即到代州指挥。晋军长于取守，奉方亦承认已到大牺牲时期，但谓实逼处此，和平无从说起，只好打向前去。奉方军队在晋东晋北两面为张作相部吉军、汤高之热察军、第三、四方面之第八、九、十、及于芷山之卅军，人数不下7万。晋军实力亦相差不远，惟晋境多山，军事进行不易。奉军又时懔孤军深入之虑，所以虽具猛攻决心，但发展似甚艰难。
自晋方缩短防线，晋军即完全采取依险防守计划。其主旨乃在乘间整顿内部，增加实力，静待宁豫各军发展，然后再会师反攻。而奉军方面，亦以激战之余，需补充休养，且天寒道远，地势生涩，不愿孤军深入。故月来各路战事，均成对峙之局，无任何新发展。龙泉关间，虽有一度激战，然亦只能认为游击性质，并非正式动员。此时晋军战线，纯取包围固守形式，非至迫不得已，绝不轻易攻击。故目前只在防卫方面，多方努力。其目的欲利用天然之险隘，诱敌深入，乘机以图有功。北路方面两军现亦仍在对峙，毫无任何动作。平型关间形势，目前虽亦经一度紧张，但因奉方窥破晋军系诱敌之计，故亦急急后退，局势又归沉寂。该处正降大雪数寸，气候异常寒冷，山岭崎岖，道路泥滑，行军守尚较易为力，攻则极感困难，此亦奉军未急进的一个大原因。京汉南端之正太线，奉军仍驻守石家庄，晋军前线在获鹿井陉间，前锋虽时或有小冲突，但非主力战，无关得失。12月10日张学良、韩麟春自保定归京，韩于13日复由京赴奉，可见京汉军事，已不甚紧张。汲金纯亦曾一度入京，旋又赴石。张、韩等入京任务，是商讨应付战局办法，与涿州问题等。
傅作义坚守涿州城，五次击退奉军的总攻，受到中外的重视。
傅作义是阎锡山所部第四师师长，于16年10月14日进入涿州城，以旅长白某为卫戍司令，团长彭庆曾为城防司令，傅的守城战术很巧妙，不只是以少击众，而且设法使被截留于城外的挺进部队偷夺奉军械弹粮秣由地道运入城中，且在城内设有陷阱，奉军突入即落陷阱中，因此奉军虽先后五次总攻，但终能坚守孤城，击退奉军5万以上兵力。
奉军攻城统帅张学良鉴于傅作义守城顽抗，乃采取长期围困方法，傅作义针对奉方新策略，一方面积极从事于工事补修，一面掘取暗壕以防奉军的坑道攻击，一面于涿城西南角后方百公尺处添筑第二线防御阵地，构成极强固之散兵壕及炮兵掩体，并附以外壕，壕前利用半截树根构成铁丝网，通路上设置拒马，更于城西南角之两侧城墙上构筑极坚固之机关枪掩体，俾以火力封闭缺口。更在城内筑成第二线城墙，以期固守。
10月27日至30日之间，奉军曾以坑道进迫，经守兵察觉，以火药爆炸。奉军乃改以城外构筑工事，掘外壕设地雷铁丝网等，以围困守军。这时隆冬酷寒，守城官兵于冰天雪地中，忍冻守城，困苦特甚。而城内食粮仅能支持三日，军心不无恐慌，傅作义特电阎锡山报告，并与所部团旅长等联名签署，电文如下：
电一：“（衔略）连日敌猛攻甚烈，城墙被炮轰平者数处。室无完璧，弹粮将尽。敌虽伤亡甚夥，我亦损失三分之二，退则无路，势必星散。刻拟设法保全实力，待机谋敌。否则唯有成仁，以报知遇。”
电二：“（衔略）敌以五万之众，及炮工兵全部，未下涿城，已伤亡大半。抑使抽调南下，其气已馁。近则京、汉列车，多载重武器北上，已有退意。我军当此千载一时良机，若能火速反攻，则职等为牵制计，于旬日内当日食一餐，以竟全功。不继则以草根树皮济之，舍此则报国虽切，无能为也。彼时痛惜，曷其有极。”
12月8日，涿州守城部队，奉到阎锡山两电，其文如下：
电一：“（衔略）该师固守涿城，力撑大局，忠勇奋发，喜慰良深。所有全师官佐，着一律进一级待遇，头目则以排长记名，士兵赏洋十万元。其尤特别出力之官佐士兵，着该师长择保，阵亡官兵均着进一级给恤，其死伤最烈者，并着查报，从优恤赏。”电二：“（衔略）顷奉国民政府鱼电开：‘阎总司令转汲州傅师长鉴：涿州屏藩三晋，锁九门，形势之雄，兵家所重，傅师长力撑大局，固守斯城，轶淮阴背水之奇，耻南人乞援之举，得道多助，无惭仁义之师。众志成城，何虑金汤不守。敌不得逞，民有所归，弥著功勋，实深喜慰。现西北军克复徐州，此时北伐各军亦大举进击，将见义师云集，与三晋袍泽会定幽、燕也’等语。除代复外，望仍努力固守，以永嘉誉，是所至盼。”
涿州究竟是一个孤城，虽然奉军屡攻不下，可是孤城奋斗终归要弹尽粮绝，开始时城内尚有米面，不久即以杂粮果腹，半月后改以高粱充饥，士兵们做成黑窝头，吃了苦不堪言，12月初城内连黑窝头也没有吃的了。傅作义乃与当地维持会研究以酒糟代替，更是难以下咽。12月14日涿城妇孺数百人拥集傅军司令部外，环跪泣诉，她们多已三日没有吃东西，希望结束战争以救残生。
至12月25日阎锡山电告：“我革命军克复徐州，由津浦路大举北上，山东震动，冯玉祥大部由京汉路会合我军三路进攻，即当直趋京津”等语。傅作义接电后即召集各级干部商量突围，可是守城士兵苦战二月余，食糟一月，头脚已肿，伤病累累，而奉军围城数重，突围根本不可能。在这种情形下继续撑持了一个月，至17年1月底派员向围城的奉军接洽和平条件，2月4日商妥订立条约：
（一）涿州战事自即日起一律停战。
（二）涿州人民自战事发生之日起，所有一切负担及损失完全由奉方清偿。
（三）涿州守城军自本日起改称国防军，永不参加任何内战，其枪械服装及饷项由奉方补充发放。
（四）国防军之驻地为军粮城，由涿州开往，日期另定。
（五）国防军离涿州以前，由奉方交付现洋20万元为开拔费。
这五项条款签订后，17年2月7日傅军乃如约开城。自16年10月11日傅作义的第四师进占涿州后，至17年2月7日，先后坚守达100余日，孤军奋战，中外震惊。
清末民初的名士樊增祥曾有诗称许傅作义守涿州，诗曰：
“新收涿鹿七千人，百日燕南集大勋，十六年来千百战，英雄我爱傅将军。”
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