移後方作前方向北京回師，他要在吳佩孚後方放一把火。11月4日傍晚，馮玉祥率軍撤出前線，回師北京，發動了北京政變。在北京的馮部鹿鍾麟、蔣遇鴻與孫嶽裏應外合，打開城門。
鹿鍾麟率部率先入城，與孫嶽的第十五混成旅在城中的部隊會合。士兵們一律佩戴藍布白字的臂章，上寫“誓死救國，不擾民，真愛民”。政變軍隊分兵把守各重要路口，並戒嚴斷絕交通，迅速占領各部、署衙門。這次“北京政變”真可謂迅雷不及掩耳，一舉獲得成功，曹錕在事先一點不知情的情況下被抓住幽禁了起來。
吳佩孚尚不知後方突變，他率僚屬赴西清督戰，直軍前線士氣轉旺，奉軍攻勢曾受阻遏，戰局頗有轉機。中午時分，吳佩孚的日籍顧問岡野增次郎急匆匆趕來，他拿來兩處電報，略帶顫音說：“司令，我先後接到來自北京和天津打來的最緊急電報，內容大同小異，北京城內有了大變故！”
吳佩孚大吃一驚，他接過電報，均言“討逆軍第三軍司令馮玉祥等於4日下午六時退出戰場，未經槍戰即攻入北京，發動政變，曹錕總統已失自由，北京情況不明，醞釀巨變。”電報中所列參加政變人士均為直係巨頭，包括馮玉祥、王承斌、王懷慶、胡景翼、孫嶽等。看完岡野的電報，他立刻相信有這種可能，因為他對馮玉祥並不信任。
當晚，吳佩孚率領高級參謀人員回到總部，立即召集緊急軍事會議於總司令室，各高級將領均出席，吳以沉痛的態度，宣布北京兵變及總部退卻計劃，瞬息之間，直奉戰場形勢大為改變。
午夜，吳佩孚先運兵3000北退，總司令部列車則於淩晨2時離廊坊。前線軍事由彭壽莘總負責，吳自己乘總部專車帶了一團衛隊，星夜疾馳回返。他拖著沉重的心情和疲累的身體，一夜未眠。次日上午4時，列車到達通州站外不足10裏。
11月5日，馮玉祥在北苑召開會議，商討如何應付北方時局。出席會議的有孫嶽、黃郛、王正廷等人。這次會上，馮玉祥被推為國民軍總司令兼第一軍軍長，孫嶽任副總司令兼第二軍軍長。鑒於孫中山尚無確切消息、吳佩孚率軍攻擊楊村等情況，孫嶽提出成立攝政內閣。為表示歡迎孫中山主政的誠意，所定閣員多為南方的老革命黨員，如國務總理黃郛，外交兼財政總長王正廷，國民軍總長李書城，參謀總長李烈鈞等。會議決定讓曹錕下令停戰，免去吳佩孚本兼各職，並宣布自動退位。
鹿鍾麟入城有功，升任師長，並任北京警備司令，駐紮在東單帥府園。馮玉祥派鹿鍾麟和警察局長張璧率警察和衛士進神武門到故宮與溥儀談判，迫溥儀及其妃嬪遷出故宮，退居攝政王府。
大勢已去的吳佩孚不得已宣布停戰並下野。在此之前，西北人民軍已攻克鄭州防線，挺進新鄉，並從此直插直軍老巢保定府。而直軍渤海艦隊司令溫權仁則在海上直接掛出了白旗，將全部海軍拱手交給了遼東灣邊防艦隊。在薊縣、天津、張垣、鄭州等各線直軍也被奉命就地接受繳械。