鑒於前三期學員全部是從部隊抽調的在職團以下行伍出身的軍官，文化程度較低，學習困難。在第四期學員的招生上進行了較大的改革，張學良接受郭鬆齡的建議，在社會上招考了一部分中學生。同時，還從東三省陸軍軍士教導隊第一期學員中，考選具有中學文化程度的學兵110餘名，連同從部隊調訓的在職行伍出身的軍官335名。這樣，學員的素質有了較大提高。規定凡由社會上招收的中學生和由教導隊考選的學生，畢業後須先到部隊當3個月見習教官，然後才能任少尉軍官。
關於在軍士教導隊招生的情況，當年親自參加報考的教導隊軍士張國威有一段形象真實的回憶：“總值官楊煥彩宣布說，本隊附魏益三命令，接旅部（指第二、六旅司令部）電話說郭旅長的指示，現在東三省陸軍講武堂第四期要開學了，由教導隊學兵中有初中畢業或有同等學曆者，可報名應考第四期講武堂為學員。想考試的學兵，可即日在各連報名。學兵們聽到這個命令，真是從心眼兒裏高興。大家都說，講武堂是培養陸軍軍官的學府，我們能考上，畢業後不就是陸軍軍官了嗎！當時各連報考的學兵計有數百人。經郭旅長自己出題，自己批閱試卷，錄取者隻有50多名。又經郭旅長親自點名後，進入講武堂第四期受訓。”張國威就是經過這個考試而進入講武堂的，畢業後當上了陸軍軍官。這個規定對軍官軍事素質的提高，起到了很大的作用。
第四期幹部的質量也比前三期好。各中隊長和部分教官是聘請在保定陸軍學校任教多年的軍官，如楊正治、戴聯璽、何柱國、毛福成等，他們都是日本陸軍士官學校 畢業的，有豐富的教學經驗。因此，第四期畢業生的質量要好於往屆。由於狠抓了軍官的培養和訓練，部隊的軍事素質有了較大的提高。在第五期舉辦中間，爆發了第二次直奉戰爭。這一次戰爭，奉軍官兵的戰鬥力大大增強，這就從一個重要方麵印證了東北講武堂的舉辦的是成功的。
最後，樹立奉軍典範。為了提高奉軍整體素質，張作霖很重視在奉軍中樹立典範。這個典範，就是由張學良和郭鬆齡帶領的部隊。郭鬆齡曾任東北講武堂教官，深受當時在講武堂當學生的張學良的愛戴和尊重。1920年，張學良畢業後，即調郭鬆齡擔任衛隊旅參謀長兼團長。1921年奉軍擴編，張學良任奉軍第三旅旅長，郭鬆齡任第八旅旅長。第三、八旅的日常管理和訓練，張學良放手由郭鬆齡統一負責，實際上郭鬆齡就統轄了兩個旅。第三、八旅在郭鬆齡的苦心訓練下，成了兩支勁旅。在直奉第一次戰爭中，由於第三、八旅的頑強作戰，阻止了直軍的追擊。他們的頑強作風和抗擊能力，給全軍樹立了榜樣。但在楊柳青和山海關兩個戰役中，第三、八旅損失很重。戰後，東三省陸軍統一軍製，張作霖出於對長子張學良的信任和厚望，把第三、八旅整編為第二、六旅。仍由張學良和郭鬆齡分任旅長。挑選精兵強將，調配新式槍械，充實兩旅，使這兩個旅成為奉軍的模範旅。兩旅的訓練和管理，張學良仍然完全交給郭鬆齡負責。張學良對郭鬆齡言聽計從，尊崇備至。這兩旅後來在直奉第二次戰爭中，確實表現突出，戰功卓著。而他們本身的榜樣作用也是非常突出的。
張作霖的整軍經武除上麵談及的幾點外，還有建立和擴大兵工廠，以及建立空軍和海軍等。
為了適應大規模戰爭的需要，張作霖處心積慮地擴建兵工廠。1919年春，張作霖偕參謀長喬煥章、實業廳長談保隍親自實地探勘。決定奉天東塔以東800餘畝歸航空處及飛機場占有；東塔以東約1800餘畝為兵工廠基址。在該處建立了東三省兵工廠。
兵工廠的建設，大體分為兩個時期：1919年8月至1924年，為初建期；1924年後為擴建期。1919年秋，派原奉天省軍械廠廠長陶治平負責建廠籌備工作。陶治平於1921年首先建成了無煙藥廠、槍彈廠和槍廠等3個工廠。因此，陶治平被委為兵工廠總辦。1923年陶治平去職，由韓麟春繼任。1924年韓麟春轉任他職，遺缺由督軍署總參議楊宇霆兼任，改稱督辦。從此，兵工廠進入了大規模發展時期。1929年楊宇霆被殺，由臧式毅接任。不久，臧式毅調任遼寧省主席。1931年“九·一八”事變，兵工廠被日軍占領。
1923年增設了炮彈廠。1924年後，楊宇霆又大力擴建了炮廠、火具廠、鑄造廠、製酸廠、木工所，達到了建廠的最高峰。計有8廠、4處，以及統計委員會、兵工學校、兵工醫院等17個單位。到“九·一八”事變前，全廠職員由100餘人增加到1000餘人；工人由300人，增加到2萬人，最多時達到2.5萬人。
對兵工廠的擴建，張作霖給予了大力支持。楊宇霆由於兼任督軍署總參議，有很大的決策權。 兵工廠想怎麼辦，就怎麼辦。花錢多少，在所不計。
建廠初期，人才匱乏。張作霖命令大膽聘請外籍技術專家。聘請的外國專家有日本人、德國人、奧地利人、俄國人和瑞典人等，他們都得到了重用，擔任顧問、技師或技士等職。他們主要負責安裝各種機器、設計製造和裝配工具模板，以及對技術人員的培訓進行指導等，起了很大作用。
張作霖對所用的人十分信任。有一次，他直接約見藥廠負責人葉禾及槍彈廠負責人吳伯琴。他們二人不知何事，結果是當麵鼓勵他們好好幹，並當場開給他們二人各5萬元的支票。張作霖用人就是這樣，不惜花錢。
此外，為了培養自己的兵工人才，設立了兵工學校。學員分為初中、高中、專門3部，采用三三製。初中畢業後，派到廠裏任三等技手，服務3年。高中畢業，派廠為練習生，可升一等技手。專門部畢業等於大學畢業，任一等技手或技士。這個製度，有利於調動學員的積極性。以後，雖然外籍專家有所減少，但由於中國技術人才的成長，兵工廠未受任何影響，反而有所進步。1931年“九·一八”事變前，兵工廠發展很快，全廠裝備大小機器約在萬台以上，可謂應有盡有，品種齊全。此時該廠已經成為全國規模最大的綜合性的兵工廠之一。
由於投入巨大、經營得法，軍工生產製造能力有了很大提高，槍彈廠的生產能力，大概分為3個時期：第一期1920年4月至1923年12月，六五、七九步槍彈由日產1萬發，擴充到10萬發；第二期1924年日產15萬發；第三期1925年至1931年“九·一八”事變止，日產30萬發。第二期比第一期年產多300萬發，增長15倍。第三期年產9000萬發，多時達到1億粒，比第一期增長30倍。其他各廠也都有較大發展。每年生產的大炮150門，炮彈20餘萬發。步槍6萬餘枝，槍彈1億粒，輕重機槍1000挺。
東三省兵工廠的擴建和發展，為張作霖進入關內、問鼎中原打下了軍事物質基矗當然，這是大軍閥不顧人民死活，采取窮兵黷武政策的體現。
為了提高奉軍立體作戰的能力，張作霖把目光投向了空軍。他深知，在現代戰爭中，陸軍沒有空軍的支持，很難取勝。尤其是在第一次世界大戰中，空軍在戰鬥中低空對地掃射和投彈轟炸，所起到的殲滅敵人和渙散軍心的巨大作用，給張作霖留下了深刻印象。
中國開始建立空軍是在1912年前後。 北洋軍閥段祺瑞和徐樹錚，在留法回國的航空員姚錫九的建議下，從英國購買了一批飛機。1917年使用這批飛機，參加了討伐張勳複辟軍的戰鬥，空襲過複辟軍占領的北京，轟炸過紫禁城。1920年，直皖戰後，因為奉係派兵支持直係，張作霖分得戰敗了的皖係段祺瑞的一批飛機。這是張作霖夢寐以求的。這批飛機有旅客運輸機四架，偵察教練機四架。同時，跟來航空人員姚錫九和王立序等專家。後來，張學良又從大沽造船廠等地調來技工趙鴻起等22人。有了這些，就為建立東北航空軍提供了有利的前提。
1921年1月，張作霖下令設置東三省航空處，並派其參謀長喬賡雲為處長，趙延緒、章斌為正副主任。此外，還委派了副官、軍需官、軍醫官、書記官、工廠管理員、技工、班長等若幹幹部，分別掌握航空處各項事務。在沈陽東塔農業實驗場曠地修建飛機場，又建廠房，蓋倉庫，造宿舍，築辦公室。以章斌、莊以臨等為飛行骨幹，以孔家桂、趙鴻起等為機械士，組建航空隊。這樣，就有了東北航空軍的雛形。
1922年在第一次直奉戰爭中失利的奉軍，認為“此次戰敗原因之一是直係的空軍占了優勢”。在西線，直軍利用其航空優勢，派飛機在長辛店投擲重磅炸彈，奉軍招架不祝奉軍前敵總指揮張景惠首先退卻，引起奉軍全線崩潰。這次慘敗，張作霖刻骨銘心。張作霖更加深刻地認識到建立空軍的必要性。
1923年9月，張作霖任命張學良為東三省航空處總辦，以加快東北航空軍的建設步伐。值得一提的是，張學良在1923年間學習了航空駕駛，很快就掌握了這項技術。他很喜愛飛行，航空員都很欽佩他。
在第二次直奉戰爭中，奉軍取得了勝利，東北空軍在戰鬥中發揮了作用。張作霖感到東北空軍要加以整編，擴充實力。為此，張學良進行了機構改革。於1925年將東三省航空處改組為東北航空處，設立總務、機械兩處，分掌事務和機務。以高紀毅為總務處長，周培炳為機械處長。同年3月，附設航空學校，由張學良兼任校長。教官有北京南苑航空學校 畢業的趙延緒、王立序等，還有法國退役飛行員博賴等10餘人。至此，東北的航空軍包括多架飛機、正規機嚐維修工廠、機械設備、航空人員、地勤人員、機械人員，以及訓練機構等，初具規模。
對航空員的培養，張作霖煞費苦心。第一批自己培養的航空員，基本不合格。第二批從陸軍中選送到法國留學的12名航空員，也不理想。總結這兩次教訓，對第三次選派留學的航空員就非常嚴格。1925年，張學良在東北軍官訓練班的1000餘名學員中，親自挑選了28名學員。他們的特點是，品德好，年齡小，體格壯。一般是20歲左右，最小的僅17歲。這次送往法國留學的共35名。除28名學飛行的航空員外，還有學習其他學科的。
28名航空員到法國後，分作兩部分。一部分進入了對身體條件要求更加嚴格的巴黎的毛蘭納航空學校，共18名；另一部分進入法國西南克魯德亞的高龍特航空學校，共10名。毛蘭納航空學校的教授方法是最優秀的，使用最新式的教練機。教練機是毛蘭納工廠自己製造的。學習的科目有：機械、駕駛、實習、法文等。高龍特航空學校的學習科目有：機械、戰鬥、轟炸、無線電聯係等。學習時間都是八個月。 畢業後，兩部分學員都獲得了國際航行駕駛證，具有初級駕駛人員資格。1926年秋，兩部分學員都轉入法國南部的依斯特陸軍航空學校訓練，學習駕駛和戰鬥。結業後又轉到裏昂的法國正規航空軍35團，參加實際戰鬥見習。實習的項目有：轟炸、投彈、瞄準、掃射、空中戰鬥、無線電聯係等。1927年初，結束全部訓練項目的學員，啟程回國。
這批留學生受到張學良的高度重視。在學習期間，張學良就把他們的軍銜由準尉提升為中尉，回國後，很快提為少校或中校。對他們在階級、工資、生活各個方麵，都給予優待。他們在奉軍的航空事業上也確實起到了不小的作用。
東北空軍飛機的來源有三條途徑。一是從其他軍閥手中繳獲的。1921年繳獲段祺瑞的8架，1926年繳獲吳佩孚的2架，1927年繳獲馮玉祥的3架，1928年從飛豹隊山東帶回10架。計有23架。二是從西方國家購買的。張學良接受西方資本主義的先進事物很快，他不惜花費巨資從這些國家購買新式飛機。1925年從法國購買10餘架，每架10萬元。1929年從法國又購買26架。同年，又從日本，花120萬元，購買4架。1930年又從捷克購買40架。到1931年“九·一八”事變，前後共購買80餘架。三是接受西方國家贈予的。1929年美國贈送1架。同年，法國贈送1架。綜合以上三個來源，東北空軍約有飛機100餘架。據估計，在東北空軍全盛時期，飛機累計約有“250架至300架”。這在當時的中國首屈一指。
東北空軍的組織機構有一個變化的過程。1925年，東北航空處已經擁有60多名飛行員，50多架飛機。遂正式建立飛龍、飛虎、飛鵬、飛鷹、飛豹等5個航空兵隊。張學良自兼飛鵬隊長。飛豹隊成立不久，即調山東歸張宗昌指揮。1925年秋，成立東北空軍司令部，由張學良兼司令，馮英為參謀長。後來改為東北空軍大隊，經過幾度變遷，1930年，又把大隊改為東北空軍司令部，張學良任司令。這是一支擁有現代技術裝備和具有強大戰鬥力量的空軍勁旅。東北空軍在張作霖問鼎中原的戰爭中，參加大小戰鬥數百次，充分發揮了飛機的作用。
此外，東北海軍的建設也頗有成效。
張作霖決心建立東北海軍是有原因的。1922年4月，第一次直奉戰爭爆發時，吳佩孚乘溫樹德海軍少將的旗艦“海圻”號，巡視秦皇島、葫蘆島一帶，並策應山海關的直係陸軍，在葫蘆島發炮一百餘發，對奉軍造成威脅。5月，奉軍失敗。在奉軍退出山海關時，遭到依附直係的“海籌”、“海容”等軍艦在秦皇島海麵大炮的轟擊，部隊損失較大。奉軍甚至白天不敢行動，夜車不敢開燈。張作霖的座車也險被擊中。張作霖深感沒有海軍不能控製海麵的痛苦，遂決心建立東北海軍。