當時，張學良立即回到軍中。張作霖命以郭鬆齡部為第一路，李景林部為第二路，左右相顧，兩路聯合，在山海關重整旗鼓，準備迎敵。此時的形勢對奉軍極其不利，直軍是乘勝追擊，希圖一鼓作氣，打到關外。張作霖又把張學良調離前線，把第三、第四、第八3個混成旅的指揮權全部交給了郭鬆齡。郭鬆齡使出渾身解數，指揮剛剛打了敗仗的奉軍，同彭壽莘的直軍展開了殊死戰鬥，終於阻止了直軍的猛攻。山海關成了直軍前進的最終地點。但是，直到此時，戰爭還沒有最後結束。
張學良張作霖知道，這時應該議和了。他派張學良出麵，找張學良在奉天基督教青年會的美國朋友幫忙。張學良找到這個組織的兩名美國牧師普賴德和楊古，讓他們請英美駐奉天領事出麵，向直軍方麵斡旋停戰和談事宜。不料，被兩國領事以不幹涉中國內戰為由，加以拒絕。這是英美支持吳佩孚的一個明顯的表現。
無法，普賴德和楊古隻得以私人的身份親赴山海關前線，找到彭壽莘斡旋。雙方在6月9日於直軍前線司令部所在地秦皇島接洽，約定於6月11日再進行具體商談媾和事宜。
但是，前線的直奉雙方一直在衝突。11日至15日，激戰未息，雙方死傷均有3000餘人，奉軍戰死3名團長。一直沒有死心的彭壽莘久戰不勝，感到山海關是攻不下了，才走到談判桌旁。
6月16日午夜12時，在秦皇島車站上，張學良在楊古牧師和開灤礦務局英籍局長的陪同下，會見了直軍代表王承斌，決定雙方停戰。
第二天17日，在秦皇島英艦克爾留號上再進行第二次和談。由孫烈臣、張學良代表奉軍，王承斌、彭壽莘代表直軍，在英艦上簽訂和約8條，附約2款。並由中央派王占元、宋小濂赴榆關監視雙方撤兵。王、宋於6月24日電告北京政府，雙方已如約撤完。
直奉一戰，奉係打敗了。奉軍死傷3萬餘人，被俘4萬餘人，軍費損失3000餘萬。然而，張作霖的元氣並沒有受到損傷。
在5月10日，北京政府宣布罷免張作霖本兼各職後，於5月12日，張作霖在灤州宣布獨立，東三省自治，改稱奉軍總司令。並對外發表宣言：“對於友邦人民生命財產力加保護，所有前清及民國時期所訂各項條約一概承認。此後如有交涉事件，請徑行照會灤州本總司令行轅。自本月一日起，所有北京訂立關於東三盛蒙古、熱河、察哈爾之條約，未得本總司令允許者，概不承認。”口氣強硬，表現了軍閥的本質。
奉軍戰敗後，日本外相內田發表了對東三省局勢的宣言，聲稱嚴守中立。其實，這是一顆煙幕彈。日本是積極支持張作霖的，日本當時甚至出現了張作霖後援會。日本嚴防英美勢力侵入東三剩5月20日，東三省議會宣布“聯省自治”，表明對張作霖的支持。
5月26日，張作霖、孫烈臣、吳俊升聯名宣布：“自五月一日起，東三省和西南及長江各省同誌一致行動，擁護法律，扶植自治，促進統一。”
1922年5月20日，張作霖返回奉天。6月上旬，奉天省議會與吉黑兩省的代表召開會議，推舉張作霖為東三省保安總司令，孫烈臣、吳俊升為副總司令，並正式宣布東三拾聯省自治”。張作霖繼續霸占東北。
7月間，張作霖將巡閱使署和督軍署合並，組成保安總司令部，軍政大權集於一身。各省省長也以虛偽的“民馴形式，確定下來。任命王永江為奉天省長，魁升為吉林省長，史紀常為黑龍江省長。至此，張作霖在東三省的“聯省自治”就完成了。東三省脫離中央，完全成了張作霖軍閥割據的一統天下。
（六）
1922年7月16日，東三省保安司令部正式成立。這標誌著東三省同中央完全脫離關係，正式獨立。張作霖任總司令，孫烈臣、吳俊升任副總司令，楊宇霆任總參議。成立秘書、副官、軍務、軍需、軍醫、軍法稽查等處，分管相關事宜。張作霖請書法家在他的紙扇上書寫了“毋忘吳恥”4個大字，借以時時提醒自己，以報前仇。張作霖這類人，意誌頑強，輕不言輸。為了盡雪前恥，經總結教訓，張作霖采取了一些重大的改革舉措。
首先，改組領導機構。張作霖設立了一個最高的整軍經武的領導機構，名為東三省陸軍整理處。該機構是1922年7月24日成立。委任孫烈臣為統監，張作相、薑登選為副監，張學良為參謀長。1925年，東三省陸軍整理處改為東三省陸軍訓練處，人員相應做了更動。由張作霖任統監，薑登癬韓麟春、李景林、張學良為副監。這次改動是為了加強張作霖父子的權力。陸軍整理處下設兩個處和若幹科。兩個處是，軍學處，處長為陳瑛；工務處，處長為張宣。
據曾任東北軍高級將領的何柱國將軍回憶：“第一個重要機構是陸軍整理處。這是整軍經武的最高執行機構，凡屬部隊整編以及人事的部署和升遷等都由這裏決定。除了最高決策由統帥部直接掌握之外，一切日常有關整軍經武的重大事情，都要通過這裏。”他又寫道，“因此由張作霖自兼統監，下設副監多人，新舊兩派都有，但實際負責的是副監薑登癬韓麟春和參謀長張學良。”這段回憶有點兒誤差，但是可以看出新派實際掌握了改革的實權。薑登癬韓麟春和張學良都是新派人物，尤其是張學良更是新派的首腦。由於新派掌握了改革的實權，為推進奉軍的近代化奠定了堅實的基矗
其次，嚴肅整頓陸軍。奉軍存在新舊兩派。何柱國將軍寫道：“我要談談奉軍新舊兩派的消長。舊派的主要人物就是人們熟知的張景惠、吳俊升、孫烈臣、張作相和湯玉麟等跟張作霖一起打天下的眾好漢。新派人物是楊宇霆起的頭。楊是東北法庫人，日本士官八期畢業，為人精明幹練，勇於負責，從1918年繼張作相為統帥部的總參議，始終得到張作霖的特殊信任。就是由楊宇霆先後吸引了韓麟春、薑登癬郭鬆齡、戢翼翹、臧式毅、於國翰、熙洽、王樹常、於珍、邢士廉等成了新派的骨幹。後來張學良又以少帥的身份列入新派的首腦，並由張學良和郭鬆齡分任新軍主力第三、八旅旅長。從此新派逐步抬頭，逐步壯大，終於成為以後整個東北軍的主體。”這個看法是很有道理的。
張作霖原來依靠的完全是舊派，是什麼原因促使張作霖開始決心重用新派呢？這主要的是直奉一戰的教訓。
何柱國將軍分析：“然而新派之所以能壓倒舊派，也並不是偶然的，其中至少有兩件事值得一提。1922年的直奉戰爭，奉軍舊派的軍隊在長辛店作戰，新派的三、八旅在楊柳青以西作戰，結果長辛店方麵的舊派軍隊潰不成軍，而楊柳青以西的第三、八旅則雖敗而未潰，這是一件。另一件是王升文團在山海關的浴血奮戰。原來奉軍在長辛店和楊柳青戰敗以後，直軍以破竹之勢直追到山海關，滿以為一舉可以搗毀奉張的老巢，不想到了山海關石門寨一線，突然遇到第三、八旅中王升文團的猛烈抗擊。王部戰鬥力之強，遠遠超出曹吳意料之外。結果王升文團長陣亡，全團官兵也損失甚重，但畢竟阻止了直軍的攻勢，穩住了整個奉軍的陣腳，迫使曹吳不能不有所顧忌而接受了議和。”
接著他又寫道：“這兩件事不但博得了張作霖的特殊賞識，而且鼓舞了新派的信心，同時也使舊派相形見絀，不得不在軍事上有所讓步。因此以後的整軍經武，事權大部掌握在新派手中，並且逐步深入到舊派軍隊，使舊派軍隊也起了變化。”這個分析是很中肯的。張作霖在實踐中看到了新派的潛力，因此他決心重用新派。張作霖的頭腦是隨著時間的推移而變化發展的。
整頓陸軍的指導思想是依靠新派力量，裁汰為非作歹的胡匪及行伍出身的官佐。這已經成為張作霖的整軍指導方針了。借著總結直奉戰爭各部的表現，嚴厲地懲處了違反軍紀的軍官。根據不同情況，分別加以懲處。
在戰爭中，臨陣退縮、貽誤戰機、焚劫擄掠者，一律槍決。槍決的有第六混成旅旅長鮑德山，第二十七師第一百零六團團長閻玉成，第十混成旅第一團團長許益三。槍斃了1個旅長和兩個團長，震動很大。
對指揮不力、能力不佳、犯有小過者，給予撤職處分。這有奉省軍隊中的第二十八師師長汲金純，第二混成旅旅長鄭殿升，第九混成旅旅長牛永福，第十混成旅第二團團長朱硯長，獨立騎兵第一團團長朱益清；吉省軍隊中的第二混成旅旅長張九卿，第三混成旅旅長成明，第五混成旅旅長李慶祿，第六混成旅旅長高鳳城，第七混成旅旅長李桂林；黑省軍隊中的第一混成旅旅長英順，第二混成旅旅長張明九，第三混成旅旅長巴英額，第四混成旅旅長張海鵬，騎兵第一旅旅長馬瑞祿，騎兵第二旅旅長張魁武，炮兵獨立團團長吉興等。這些受到處分的軍官遍布東三省，計有1個師長，13個旅長和3個團長。對他們的處分，也同樣產生很大反響。
當然，經過整頓，受到處分以後表現好的，又有重新得到任用的。如李桂林、李明九、巴英額等又當上了旅長。而吉興反而由原來的團長被提升為旅長。
同時，對如馮德麟、張景惠、鄒芬等重量級的舊派人物則調為保安司令部顧問，使其有職無權，養尊處優。
對官佐的整頓如此，對士兵的整頓也如此。他們本著“兵在精而不在多”的精神，大量裁汰兵員。把老、弱、並殘、劣的士兵，都給資遣散還鄉。立有戰功的老弱士兵，照顧改充輜重兵或後勤兵。總計東三省的奉軍共裁減6.9萬人。奉軍總數大大減少了，但戰鬥力卻提高了。
從以上舉措不難看出，此次整頓力度很強，動作很大。雖然個別人有怨言，但總體上，整頓還是通行無阻的。其根本原因是有老帥張作霖的堅定支持。這個強而有力的後盾，保證了陸軍整頓的順利進行。這也說明張作霖對於新的形勢，還是能夠主動適應的。
懲處裁汰的同時，奉軍又大量引進新式軍事人才。他們求賢若渴，廣攬人才。不僅在東三省招攬各種新式軍事人才，還派人到關內的重鎮京、津、滬、寧、漢等地，去廣招各類新式軍事人才。舉凡航空、航海、炮術、軍需、軍醫、兵工等人才，他們都給予高待遇、高禮遇，悉數請來，為我所用。他們很重視文憑，對日本陸軍士官學校、北洋武備學堂、保定軍官學校、北京陸軍大學以及各地軍官學校的畢業生，都極力延攬。其中，日本陸軍士官學校和北洋武備學堂的畢業生，更是受到特別的重用。
奉軍還規定各部隊采取考試的方法提拔軍官，廢除原來的推薦製。推薦製的人為因素很大，不利於軍官素質的提高。同時，對軍官的培養，也有一套科學的做法。“全軍各師旅的參謀長和各團掌管教育的中校團附，全數由軍校學生出身的人充任。其中保定軍校各期畢業生為數最多，來自關內的各國陸軍留學生和陸大出身的人次之；並且，以後遇有團營長出缺，一般皆由各部隊的參謀長、團副以及講武堂的教官和隊長調充。”
軍校 畢業生認為到奉軍來有前途。“當時北洋軍閥一般都喜歡行伍出身的人帶兵，學生出身的人隻能用作參謀之類的幕僚，獨有奉軍與此不同，很多學生出身的人都直接帶了兵。”何柱國正是看到了這一點，才投奔到奉軍來的。
經過統一整編的奉軍，統稱東三省陸軍。共有3個師，27個混成旅和5個騎兵旅。每旅設3團，每團設3營，每營設3連，每連足額150人。整編後的奉軍有17萬人，比直奉一戰前減少很多。但軍隊的素質有很大提高，士氣也非常旺盛。朝氣蓬勃，麵貌一新。
再次，建東北講武堂。東北講武堂最早創辦於1906年，即光緒三十二年。那時是奉天將軍趙爾巽為造就陸軍初級軍官而設立的，原名為奉天講武堂，訓練期為一年，隻辦一期。1907年徐世昌任東三省總督兼管三省將軍事務時，將講武堂擴大，改為東三省講武堂，地點在小東邊門外老龍口燒鍋東側。每期學期定為6個月。1910年革命軍興起，該堂即停辦。1912年，巡防營改為陸軍師，為整頓軍隊，又繼續開辦，辦至第三期停辦。曾在陸軍第二十七師任旅長、團長的孫烈臣、湯玉麟、張作相等，都先後是該堂的畢業生。至1915年中日交涉起，複行停辦。這是講武堂的前身。但這兩期講武堂是短訓班性質，而且都是采用舊式的軍訓方法。因此，影響不大。
真正有全國影響的東北講武堂是指張作霖於1918年任東三省巡閱使後，為了整頓東北軍隊，在1919年3月，所成立的東三省陸軍講武堂。這個講武堂是奉軍自辦的培養陸軍軍官的學校。張作霖認識到，軍隊戰鬥力的提高，有賴於軍事學校，有賴於軍事教育。因此，他對獨立開辦軍校，極為重視。新中國成立前，中國有四大軍官學校，即保定陸軍軍官學校，東北講武堂，黃埔軍官學校和雲南講武堂。東北講武堂是其中之一。至1931年“九·一八”事變，在13年中共訓練了11期學員，學生8900餘名。在東北軍上自最高統帥張學良，下至連排長，絕大多數都是從東北講武堂畢業的。
現在著重說一說，直奉一戰後，張作霖狠抓講武堂訓練的情況。這時適逢講武堂的第四期。第四期是1922年10月召集的。因為直奉之戰，奉軍戰敗。為此，張作霖聽從有益的意見，對講武堂加強了管理，進行了改革。在組織體製、主要領導和學員招生等方麵，均作了較大改變。堂長仍由張作霖自兼。在堂長下增設一名監督，由張學良兼任。並由中、日兩個陸軍大學畢業的福建人蕭其煊以教育長的名義代張學良負責。將原來的9個區隊改為3個中隊，下轄10個分隊。取消總隊長一職，增設步、騎、炮、工、輜各科，由資深的中隊長兼任術科教官。學習時間明確規定為一年。