早在十一月二十六日，即郭军攻占山海关前，日本关东军参谋浦澄江与郭松龄谈了四个半小时，极力劝阻郭松龄。最后，浦澄江声称，在发动军事行动之时，日本方面将发出各种“警告”。据参加会议的时任郭松龄秘书兼翻译的殷汝耕称：“大体上是高调威吓，认为郭忘恩负义，对郭的所为进行了严厉指责。对此，郭一一作了明确的回答，并阐明了自己的立场。”三十日，即在郭军攻占山海关后，满铁发给日本外相的电报称，“深信支持张作霖抵抗之要务，除此之外别无他策。”

　　十二月四日，日本内阁会议上，重点讨论了东北局势。向来主张积极干预策略的陆相宇垣一成认为，任何人取代张作霖，都不会无视我大日本的地位，“日本对处于即将倒下之张作霖继续给予强有力支持，这样做甚为危险。”

　　币原外相则认为，“要从冯玉祥及国民党将左右中央政局的大势出发，若只见满洲局势之情形，而不顾北京长江方面之形势来决定帝国举措，实非上策。”

　　当政友会的山本条太郎等人请教对满蒙方针时，首相加藤高明则表示：“张郭两军的纷争，不知什么意思，真是麻烦的问题。但这是中国人的个人之争，张输也好郭赢也好，跟日本没有关系。政府在绝对不干涉主义下，静观其变。假若其结果将危害到日本的特殊利益时，才要采取适当处置。”

　　十二月五日晚九时，币原外相打给奉天总领吉田电报中再次强调，鉴于中国当前时局，帝国政府一贯采取绝对不干涉主义，迄今仍无改变。

　　郭军利用大风雪的掩护，突破奉军连山防线，于六日克锦州。由于风雪交加，郭军参谋长邹作华下令在锦州休息三天。

　　闻知锦州失守，又误听奉天要爆发内变，张作霖一日三惊，命人将家私送往旅顺，自己则整天躺在小炕上抽大烟，他抽一会儿烟，又起来在屋里来回走动，口口声声骂小六子混蛋，骂一阵子又回到炕上继续去抽大烟。

　　迫于形势，张作霖准备下野。奉天省长王永江按照张作霖的意思，召集省城各法团负责人开会，说：“大帅让我召集你们大家来谈。军事情况，对我们是不利的，但集中兵力还可背水一战，不过使家乡父老遭到兵的蹂躏，大帅是不忍心的。大帅说，政治好像演戏一样，郭鬼子嫌我唱得不好听，让他们上台唱几出，我们到台下去听听，左右是一家人，何苦兵戎相见。烦你们辛苦一趟，专车已经备好，你们沿铁路向西去迎接他，和他说明，我们准备正式移交。”

　　十二月八日，奉军举行军官会议，决定重整旗鼓，作最后之决战。

　　此时，前线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，共计五万，有野炮百尊，在最后一道防线巨流河左岸构筑防御工事，阻敌于右岸。

　　当天，关东军司令官奉日本内阁之命对张、郭两军发出警告：“帝国在该地有重大权利与利益。因此，在铁道附属地带，即我军守备区域内，因战斗或骚乱，对帝国利益带来伤害，或有危害之虞时，…本司令官当然要执行必要之措施。”

　　此时，郭军也遇到粮饷两断的困难，军队的十一月份薪饷应于十二月初即行发放，但事前毫无准备，只得以边业银行的银块和沿途征收的捐税发放一部分。粮食只能沿途“征收”，当地百姓哭诉：“郭鬼子带一帮饿鬼，把我们一年的粮柴，吃光烧光。”

　　郭松龄的日本医生守田福松带着张学良的信来锦州见郭松龄，郭向守田道出了自己的真实想法：“此次举兵是经过深思熟虑的，现在再不能中止。我已经四十二岁，这样的病躯，也许活不了多久了。如果上将军痛改前非而下台的话，请学良到日本去留学三四年，我的经纶抱负实现一部分之后，就将位置让给张学良，我愿意下野，静度闲云野鹤的余生，这不是假的，是真的。为此，可请吉田总领事，白川司令官等做保人。”

　　十二月十一日，郭松龄于锦州前线致电奉天总领吉田，电文中说“总领事先生惠鉴：守田院长来锦述达，尊意酷爱和平，与松龄之素志不谋而合。特提出鄙见如下：一、张上将军及张汉卿之生命，松龄以私交及道德关系，当绝对的保全。二、张上将军财产处分，应当由省议会各法团及本军重要军官会议决定。如果认为剥民脂膏非法所得，则予以没收。以上两项条件，须张军不在巨流河抵抗始为有效。”

　　同日，日本关东厅长官儿玉致奉天总领吉田电中协商：“在郭军取得胜利情况下，选择何等时机承认其政权，为颇费心思之事。故在承认郭松龄部队为合法政府之正规军前，或将出现暂时对于双方一律拒绝提供运输之局面，此时务须请示外务臣。”三天后币原外相向奉天总领吉田发电指示：已令关东军司令官通知张郭两军在铁路附属地二十华里以内，禁止直接战斗行为。虽属禁止区域，但只要不与上述各项抵触，对两军存在及通过，应持默许态度。

　　郭军一路东行没有受阻。奉军在巨流河布设的最后一道阻击阵地，距满铁附属地尚有百里之遥。故关东军此项禁令，对于张郭两军交火毫无干系。

　　此时，天气严寒，郭军由于没有冬装，只能躲在火车中，顺着铁路向前推进。此时，大凌河铁桥及沟帮子铁路给水塔被奉军炸毁，不能通行火车，郭松龄被迫改变策略，以主力徒步向沈阳进发，另派马忠诚旅袭取营口，抄东路侧击沈阳。

　　十二月十三日，郭军前锋抵达沟帮子，右路军马忠诚旅抵达营口对岸。

　　十四日，郭松龄发表《痛告东三省父老书》，宣布张作霖的十大罪状，发布自己治奉的十大方针。

　　张学良派飞机不断向郭军投传单，揭露郭松龄发动兵变真相，呼吁迷途知返，当郭军到达新民之时，仅剩二万余人。

　　至十二月下旬，郭军始抵巨流河。

　　巨流河距离沈阳仅有十里之遥。

　　但此时两军形势已经逆转，奉军七万余人据守巨流河左岸，设炮阵阻郭军过河。

　　在防御上，韩麟春主张加强侧翼防御，以防郭松龄偷袭。张学良深知郭松龄其人，坚持认为：“郭茂宸是个宁折不弯的人，他一定哪硬往哪打，我们只要把正面工事做好，顶住郭军的进攻，再加上宣传攻势就一定可以取得胜利。”

　　此时，巨流河已经开始结冰，冰一日厚过一日。张学良不得不命士兵夜晚在岸边用铁铲穿冰，使其不能凝结，以防郭军偷渡。

　　黑龙江督军吴俊升率步骑兵已抵达巨流河前线。

　　在结义八兄弟中，吴俊升排行老二，张景惠排行第四，汤玉麟排行第六，张作霖排行第七、张作相排行第八。除了张景惠因病在京外，吴俊升虽于十一月三十日就由黑龙江调派步兵两旅、骑兵四团、炮兵一团驰援奉天，由于苏联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。

　　吴俊升在巨流河召开军前会议时说：“我是老粗，不懂得红蓝铅笔在地图上怎么划，可我知道两人打架，我扯谁的后腿，谁就趴下。”

　　随即，吴俊升亲率骑兵由辽中间道奔往郭军司令部驻地白旗堡。

　　十二月二十二日，正当郭军在巨流河前线与奉军激战之刻，吴俊升率骑兵奇袭白旗堡，一把火将郭军的军械弹药、粮秣仓库烧掉。

　　此消息传到大帅府，张作霖一下从炕上跳下来，连叫了两声“二哥”。旁人问怎么回事，张作霖笑道：“吴二哥学人家曹操，将郭鬼子的弹药粮秣仓库给烧了！”说完，张作霖又是捂住嘴连笑不止。

　　当天晚上，郭松龄深夜召开军事会议，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。郭见到这个情况，知道大势已去，长叹一声，宣布散会。

　　这一日，李景林率部败退山东，直隶被冯军占领，进入东北通道已被打通。

　　郭松龄并不知道这一情况，在散会后即布置自己逃走。

　　二十三日凌晨二时，郭夫妇乘车离开新民，走到辽中县老大房村，遇到奉军王永清部的骑兵突袭。郭的卫队经不起骑兵的冲锋，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。

　　林长民是林徽因的父亲，是郭松龄拉来准备就任奉天省长的名流。

　　邹作华，吉林永吉人，保定军校第五期炮兵科，日本陆军士官学校十二期炮兵科，回国后，被分派到段祺瑞所属的边防军教导团任队副。直皖战争中，皖系战败，皖系边防军被直军收编。邹作华不愿依附吴佩孚，投奔奉系，被张学良抢到自己的手里。

　　邹作华有一项过硬本事。以前的炮兵要使用观测仪器炮兵镜，后来普及了微仪测远镜，但是这些在战场上观测一番会贻误战机，邹作华帮东北军普及了图上作业无观测无试射的有效射击技术，这使得奉军的战斗能力大为提高，极大提高了奉军的步炮协同能力。

　　郭松龄兵变反奉，任命邹作华为参谋长。邹作华暗中通奉，将榴霰弹引线芯抽出而放之，帮其虽命中而不炸，奉军未致大伤亡。

　　邹作华见郭松龄已遁走，下令各军停止进攻，发急电给张作霖，报告郭出走情形。同时又给张学良打电话报告：“茂宸已出走，部下已放下武器。现在已控制一切，请军团长放心。”

　　十二月二十三日，张学良渡过辽河，进入新民屯，召见郭军的各高级将领，抚慰伤亡。郭军见到少帅，欢声雷动，欣见故主。

　　郭松龄夫妇被张作霖下令就地枪决，暴尸三日。

　　郭松龄的几个幕僚殷汝耕、齐世英都逃入日本领事馆寻求保护，张学良要求日本政府把这几个家伙交出来，但关东厅长官儿玉秀雄以及奉天总领事吉田茂都拒绝了。

　　郭松龄叛变时，身边的军事顾问就是日本人富井冰次郎，亲信殷汝耕、齐世英一趟又一趟地往旅顺关东军和大连关东厅跑动，以争取日本人的支持。由于，殷汝耕、齐世英有太多关于郭军与日方的交涉秘密，日本人自然不放二人。后来，二人都转投国民党，殷汝耕成为了汉奸，齐世英成为了亲日派。

　　齐世英去了台湾，他的女儿齐邦媛写了一部《巨流河》，对其父参与的郭松龄兵变，将郭松龄描绘成了一个忠肝义胆、爱国爱民的悲情英雄。齐世英本人晚年出了一本回忆录，提到郭松龄兵变时说：所谓张作霖出卖主权换取日本人支持，因此日军不允许郭军使用满铁都是无稽之谈，郭军实际上不仅进入了满铁区域，还从关东军控制的营口运兵；因为天气寒冷，郭军都缩在火车里沿着铁路向奉天推进。

　　日本人在此次事变中，扮演了一个两面下注的极不光彩角色，张作霖在寻求日本人保护时——准备举家迁往日本人控制下的旅顺，答应日本方面：“一切都好商量！”

　　就在日本人静待郭张两败俱伤，准备派兵进入东北之时，战况突然逆转。

　　郭松龄兵败罪魁祸首却是日本人。

　　原来，日本人为与郭军联系方便，关东军搭了条军用通信线路直通郭军。张学良正是偷用这条线路，给郭松龄手下的军官们挨个打电话策反，促使郭军瞬间瓦解。

　　十二月二十二日晚，与会军官都已经被张学良策反了，而策反没有成功的十几个高级军官早就跑到了新民的日本领事馆政治避难。正是因为见风向不对，郭松龄才在会后连夜逃走。次日，冯玉祥战胜电报就到了。

　　在处理郭松龄反奉兵败的善后会议上，张作霖说道：“我姓张的向来一秉大公，李景林、张宗昌、许兰洲这些人都是外来的，和我素无瓜葛；还有于学忠是吴佩孚的外甥，谁不知道我和曹吴对头多年，可是我对他外甥是重用的。郭鬼子这个鳖羔子，到沈阳来，打个行李卷，只有两个茶碗还有一个没把的。小六子说他是个人才，能吃苦耐劳，我一次就给他两千块大洋，给他安家。那时候他感激地把他妈给我当老婆他都愿意。他自以为有功，在座的谁不比他资格老？汤二哥和我穿一条裤子，出生入死，现在和郭鬼子拉平辈。小六子上了贼船，郭鬼子教他学李世民，要逼我下台。现在事情总算大白天下，是他郭鬼子自己想要这东三省。此次事件，我父子都有过错，现在事情处理完了，我可以下台了！”

　　不日，从关内传来一件大事，皖系灵魂人物徐树铮被冯玉祥派人杀了。