麵對直係的步步緊逼，奉係也在積極備戰。1922年4月9日，奉軍開始陸續人關，以天津以東的軍糧城為大本營，從軍糧城、馬廠、靜海一直開到德州附近。19日，張作霖發出通電，建議召開和平統一會議，聲明此次奉軍人關，是以武力為統一後盾，對於害民病國、結黨營私、亂政幹紀者，要執殳前驅，與眾共棄。29日，張作霖自任"鎮威軍"總司令，以孫烈臣為副司令，動用兵力約125萬人，沿京奉和津浦鐵路布置軍隊，同日，下總攻擊令，奉係將領發表討吳通電，宣布吳佩孚十大罪狀，直奉兩軍開始發生武裝衝突，戰爭正式爆發。
直、奉問的戰爭，按兵力和裝備來說，奉軍勝於直軍。直、奉雙方投人的兵力數量雖相差無幾，但直軍要將1／3以上的軍隊來鞏固後方，無法調上前線，因此，奉軍投入作戰的兵力要勝於直軍；在重武器裝備上，直軍遠不及奉軍。據統計，直軍拚拚湊湊隻有一百門大炮，100挺機關槍。奉軍則有大炮150門，機關槍200挺。當時奉軍軍官曾誇口說："投鞭斷長江之流，走馬觀洛陽之花"。大有兵過長江，馬踏洛城之慨。但是，由於奉軍多是"綠林"匪幫，素質甚差，平時又缺乏協同訓練，因此，雖兵力、裝備優於直軍。而開戰之後卻不見優勢。
奉軍兵分兩路進攻，直軍分三路迎戰。在東路，戰爭沿津浦路進行。開始，奉軍曾進至徐州，受直軍抗擊，乃退去。以後，雙方激戰於靜海至馬廠一線，奉軍先勝後敗，直軍受中路獲勝的鼓舞，又發起猛攻，奉軍死傷眾多。5月7日，兩萬直軍打到軍糧城，奉軍潰敗，被全部繳械，東路戰事結束。在中路，戰爭在津浦路與京漢路之間進行，雙方首先在固安附近展開爭奪戰。奉軍先向固安進攻，雙方激戰。死傷甚多，直軍後退。5月1日，吳佩孚自涿州出發，過永定河，攻克固安。奉軍反攻，發射炮彈數千發，直軍退走。5月2日，直軍又反攻上來，奉軍敗退至距天津50裏處的勝芳橋，千餘人被俘。直軍乘勝追擊，連克落垡、廊坊，又俘獲千餘人，奉軍在中路亦告失敗。在西路，戰爭沿京漢線及其以東長辛店、琉璃河地區進行，此為主戰場。從4月29日至5月3日，直、奉雙方都捏造戰報，吹噓自己的"戰績"。奉係張作霖每天都有告捷戰報發表；而吳佩孚則隨心所欲地發布"號外"。雙方大搞"輿論"戰。戰爭爆發的第一天，戰況即異常激烈，兩軍各有屢進屢退，傷亡無計。奉軍以炮火優勢，猛轟直軍陣地，直軍雖訓練有素，勇猛善戰，但因奉軍炮火太猛，不能得手，因而西路直軍一度受挫。30日，吳佩孚親往西路督戰。他派出大批偵探，發現奉軍布陣上的弱點以後，馬上變更戰略：第一，由炮隊掩護步兵，進行側麵攻擊；第二，誘敵開炮，消耗敵軍火力；第三，急調援軍開往西路，配合迂回攻擊。5月3日晚，吳佩孚探知奉軍炮火已消耗怠盡，乃以大隊直軍猛攻正麵，另派奇兵繞道而行，引兵至奉軍後方。4日，直軍徑撲蘆溝橋，使奉軍腹背受敵，奉軍炮彈也告用罄。同時，直軍一個旅又從潼關趕來增援，兼程疾馳，抵達前沿陣地。吳斷下絕令，隻能前進，不準後退，並身先士卒，躍馬橫刀。率部隊衝鋒。5日，直軍增援部隊加入戰鬥，直衝到豐台，終於迫使奉軍張景惠部輸城。原來馮國璋舊部的奉軍第十六師倒戈，投降直軍，牽動奉軍全線崩潰，長辛店被直軍戰領。西路奉軍長辛店之敗，牽動全局，奉軍遂完全失敗，張作霖率殘部由軍糧城逃往灤州，人關時12萬大軍僅剩2萬餘人。
直奉之戰，各自準備一年多。但真正的戰爭隻不過六七天，激戰不過三四天，卒以奉軍慘敗而告終。在奉係戰敗的情況下，直係迫使徐世昌於5月5日下令奉軍撤到關外，通緝梁士詒、葉恭綽、張弧三人。5月7日，吳佩孚到達天津，此時，吳聲威大振，已達到頂點。但他卻也不敢揮師出關，直搗奉天。因直軍除吳的嫡係第三師外，多已厭戰，且直係首領曹錕與張作霖姻親關係，也不好逼人太甚。5月10日，徐世昌又下令裁撤東北三省巡閱使和蒙疆經略使，免去張作霖本兼各職。5月12日，張作霖在灤州宣布獨立，改稱奉軍總司令，並發表對外宣言，強硬地表明了與北京政府的分裂對抗態度。20日，在日本帝國主義支持下，張作霖自稱"東北三省保安總司令"，宣布東北"閉關自治"。同時，派兵在秦皇島附近與直軍繼續作戰，先勝後敗。6月17日，在英國教士調停下，直奉雙方議和罷兵，以榆關為兩軍界線。19日，奉軍開始撤往關外；直軍除留一部分駐防榆關外，大部撤回原防，第一次直奉戰爭正式結束。從此，北京政府的大權全部為直係軍閥所控製。