九門口位於山海關以西10餘公裏處，地勢險要，是除山海關外又一通向關內的重要通道。開戰前，九門口已由直軍第十三混成旅先行占領，司令部設於九門口西北之黃土營。其下屬兩團，第一團駐荒山口，第二團駐九門口，成掎角之勢，設防頗為嚴密。10月8日，奉方由薑登選直接指揮頗具山地攻堅戰能力的第十九混成旅，突襲九門口北側的黃土嶺長城一線，而原在此地駐守的直軍一個營恰好於前夜換防撤走，使奉軍輕而易舉地越過長城，並立即向九門口側翼包抄。奉軍第二、六旅於九門口正麵猛烈進攻，數度衝鋒，死傷甚眾。直軍由於兵力薄弱，在奉軍強大的攻勢麵前，馮玉榮手下的兩個團長不聽指揮，臨陣脫逃，致使九門口陷落，馮玉榮無奈之下，憤而自盡。第十三混成旅損失過半，殘部退往石門寨。
九門口失守，不僅使直軍士氣大挫，而且中央防線被撕開一個大缺口。奉軍乘勝進兵，其中裴春生旅由九門口南側山巒向西南推進，攻占裏峪、外峪、響馬峪，逼近刺兒溝，有包抄山海關之勢。齊恩銘旅沿九門口北側山巒向西推進，進攻石門寨。正在北京忙於籌措軍餉的吳佩孚聞訊大驚，立即決定親赴前線督戰。
繼九門口之戰後，直奉雙方又在石門寨發生激戰。石門寨距山海關僅25公裏，奉軍奪取此地即可南下攻取秦皇島，切斷直軍退路，因此彭壽莘立即組織兵力增援，投入保衛石門寨的戰鬥。
10月11日夜，吳佩孚抵達山海關前線，視察了石門寨、趙家峪、沙河寨一帶的直軍陣地，決定再度派兵增援，並懸賞10萬元，奪回九門口。12日，直係陝軍第二師趕到，在距九門口五公裏的豬熊峪與奉軍接戰。14日，直軍發動總攻擊，在吳佩孚親自督戰下，士氣高昂，誌在必奪九門口。奉軍憑依險要地勢，拚死抵抗，雙方均死傷慘重。一時間難分勝負，雙方於沙河寨、趙家峪、黃土營一線形成對峙。15日奉軍以孫旭昌團為敢死隊，突擊直軍陣地，配合全線發起猛烈進攻，一舉突破直軍防線，16日，奉軍進占石門寨。隨後奉軍前線指揮部移至沙河寨，其先頭部隊繼續推進，直抵柳江。幸好吳佩孚命直軍第三師第十團一個營乘坐煤鬥車於16日夜間趕赴柳江前線，並迅速發起反擊，才阻止了奉軍的前進勢頭。17日下午，直軍第三師第六旅旅長張席珍率部趕到，使直軍在秦皇島北麵戰場的危險形勢得到暫時的緩解。
山海關之戰是整個山海關戰場的決勝戰鬥，雙方都投入了各自的精銳部隊。從10月16日起，奉軍曾三次突破直軍第十五師的防線，以圖攻占威遠城。當時直軍以數十挺馬克沁機關槍密集掃射，致使衝鋒的奉軍士兵屍積贏山，郭鬆齡數次組織三千人的敢死隊，突入直軍陣地，展開肉搏戰。
奉軍見正麵進攻無法突破，便轉移到沿海一帶，對直軍陣地輪番展開攻擊。炮火之下，死屍成堆，讓人慘不忍睹。郭鬆齡曾經提出暫時休戰，雙方各自清理自己部隊的陣亡屍體，卻遭到吳佩孚的拒絕。據粗略統計，雙方在此戰中各自陣亡萬餘人。
兩軍在山海關激戰的同時，位於山海關以北8公裏處的三道關、二郎廟也發生了大戰。由於三道關是通往二郎廟並包抄山海關的最近一條通道關口，直軍在此設置了地雷、鐵絲網，做了嚴密布防。10月15日，奉軍對三道關進行了猛烈進攻，先驅趕馬匹踏響地雷，繼用手榴彈炸開鐵絲網，然後步兵在迫擊炮的強大炮火掩護下發動進攻，終於在付出重大代價下，突破直軍三道防線。19日，奉軍開始對山海關實施迂回包圍。
麵對奉軍咄咄逼人的攻勢，吳佩孚為挽回主動，以攻對攻，下令全線反擊。21日，直軍第十三、十四、十五師與角山以西的奉軍展開激戰，雙方以重炮和機關槍為主要進攻武器，戰鬥異常慘烈。22日晨，直軍因傷亡慘重，被迫後撤。吳佩孚不甘心失敗，又調來第二十四師、二十六師及第三師一部投入戰鬥。奉軍為阻擊直軍援兵，於二郎廟一帶頑強抵抗，雙方各有死傷。三道關、二郎廟一戰，直軍傷亡達3000餘人，奉軍損失亦在千人以上。
吳佩孚在10月10日赴前線之前曾誇下海口，“今晚親赴前線指揮，十五日即可蕩平逆軍。”然而旬日之間，直軍接連敗北，士氣從此一蹶不振。
正當直軍在山海關前線岌岌可危之際，第三軍總司令馮玉祥於10月19日突然在前線倒戈，回師北京。
吳在前線督戰時，馮本人在懷柔按兵不動，吳命參謀長張方嚴電催各軍急赴前線，張給馮玉祥一電，為了加強語氣所以在電文後加了一句：“大局轉危為安賴斯一舉。”這本來是普通的加強語氣句子，可是在微妙的時候，這句話就有了問題。馮玉祥雖然已和奉張暗通款曲，但他確有坐觀成敗之意，他要看直軍有了敗兆才敢動手。而且吳佩孚及其第三師坐鎮北京，回師是沒有把握的。直到吳上前線後，並帶走了第三師，他感到直軍作戰不利，前線危急。當收到吳的參謀長來電催促進兵時，他認為直軍敗局已定，因此乃下了決心“倒戈”。移後方作前方向北京回師。
10月19日，馮玉祥在灤平發布命令：
一，鹿鍾麟第二十二旅自密雲秘密兼程回京，馳抵北苑，會同留守的孫良誠、張維璽兩旅，及總參議蔣鴻遇，進入北京城，分途警戒。
二，李鳴鍾第八混成旅自古北口趨長辛店，截斷京漢、京奉線交通。
三，電令停兵於喜峰口的胡景翼部南下，占領灤州、軍糧城一帶，截斷直軍後路，並防止吳佩孚率軍西向。
四，命孫嶽秘密監視總統府曹錕的衛隊及吳佩孚在京的留守部隊。
五，命承德之張之江第七混成旅，宋哲元第二十五混成旅克期返京，並派員聯絡熱河都統米振標部采取一致行動。
10月22日，馮軍第二十二旅抵京郊北苑，當夜進入北京，未放一槍，便控製了北京城。
馮玉祥倒戈的消息傳到前線，使直奉戰局急轉直下。10月24日淩晨，張作霖在確定馮玉祥已占領北京後，立即命令奉軍各部乘勢猛攻。當日上午，吳佩孚仍在山海關督戰，下午一時確知內變的消息，而陝軍胡景翼的部隊已經向東開來，欲截斷直軍退路。晚六時，奉軍攻勢更猛，將龍王廟方向的直軍第二十三師包圍，並散發大量勸降的傳單。直軍將士得知馮玉祥倒戈的消息，頓時軍心渙散，無心戀戰。
吳佩孚首尾難顧，急電蕭耀南、孫傳芳、齊燮元、李濟臣調集湖北、江浙、河南等省直軍火速北上，會師討馮。
25日，吳佩孚調集二十六師、第三師各部萬餘人，自秦皇島經灤州，於26日抵達天津。
吳佩孚抵津後，將司令部設於新車站，部隊集中於楊村、軍糧城一帶，等候援軍。然而北上的援軍卻先後受阻，齊燮元、孫傳芳所部因山東鄭士琦宣布武裝中立而受阻。陝豫鄂援軍在石家莊被閻錫山的晉軍截斷京漢線，無法前進。這樣，吳佩孚的討馮計劃就成了泡影。
吳佩孚素所瞧不起的張宗昌，這時成為戰場上的“驕兒”，他所率領的部隊如果在今天，就很時髦了，可稱之為“外籍兵團”，包括有已改入中國籍的白俄軍，以及日本、朝鮮、法國軍人，據說這些“洋兵”均曾參與歐戰，精嫻新式戰術，善戰而無軍紀。張作霖把張宗昌放在最前線，本來是讓他作炮灰，想不到卻成全了他。他率領這支遊雜軍共16000人突破直軍防線，26日吳佩孚率軍回師後，張宗昌即擊破直軍董政國所率的第九、第二十兩師，攻入冷口，27日張軍入建昌營，和倒戈的直軍胡景翼部聯絡，追董政國於灤州。10月27日張宗昌、胡景翼部占領灤州，把直軍截成兩段，一麵南下和榆關奉軍圍迫秦皇島及山海關的直軍，另分兵追擊董政國潰部之後而攻唐山。切斷榆、津間交通，張福來敗退。
10月31日，京奉線上的奉軍繼續大舉進攻，直軍將士蜂擁而逃，除主要將領乘船由秦皇島逃到天津，其餘大部被俘。奉軍在山海關附近繳獲的槍支、器材等各種軍用物資堆得比山還高。
11月2日，馮玉祥、胡景翼所部攻占楊村、北倉。3日，逼近天津城外，將附近直軍全部繳械，當晚進入天津。同一日，奉軍攻占蘆台、軍糧城。
此時的吳佩孚真正是走投無路了。他一生有三個原則：不入租界，不借外債，不納小妾。因此首先拒絕了日本顧問要他托庇到天津日租界的建議。無奈之下在部屬們的勸阻中乘火車到塘沽，登上運輸艦“華甲”號，浮海南下。其參戰的十餘萬直軍被奉、馮兩部收降。
至此，第二次直奉戰爭徹底結束。
第二次直奉戰爭，由醞釀到接戰到結束，前後兩個月，直軍敗得太慘，這是吳佩孚做夢也想不到的。
第二次直奉戰爭，直軍徹底垮台，當然致命的因素是由於馮玉祥、胡景翼和孫嶽倒戈回師，吳軍在前線不及回師，腹背受敵。可是直軍也有許多不及奉軍的地方，據參觀山海關戰場的外國軍官的綜合意見，認為：
（一）奉張作戰純采新式，吳佩孚則仍用舊式戰法。
（二）後勤方麵，奉軍早有準備，糧草無缺，裝備齊全；直軍則臨時采購，軍費又極費周章。
（三）奉軍迫擊炮極多，用高弧線的瞄準法，成三角形而直入直軍戰壕。
（四）奉軍所用飛機翱翔空中，均為新式，機槍和大炮均係新從俄、德兩國購買，直軍的武器則多係中國漢陽兵工廠所製。
（五）當直軍敗退時，吳佩孚所招募之少年軍，竟在陣後掘小戰壕，用炮轟擊退卻之直軍，故直軍傷亡極大。
（六）奉軍人人耐寒，棉衣被囊一應齊全，直軍裝備欠缺，且不能忍凍。
這些當然是從軍事觀點分析，不過吳佩孚本身也有招敗之處：第一，吳雖然對政治有興趣，但他並不懂政治，對外一味樹敵，促成奉、皖、馮與西南的大聯合。其實以他當時聲望、名譽和力量，他可以和各方攜手，同時也可以分化其他勢力，為什麼要驅迫這些力量集合在一塊。在直係內部，他雖然代表正直的一麵，可是太盛氣淩人，促成高級幹部離心離德。他常自比關羽，在缺乏政治手腕這方麵他倒確是很像關羽。第二，這次對奉用兵，在戰略上他也有錯誤。吳的特長是閃電戰，後防空虛，勝則追奔逐北，敗則退無所據。當曹打限時即刻到的電報命吳回師靖難時，吳因為前方戰火正緊，勝敗決於俄頃，不忍功虧一簣。他認為馮雖然倒戈，其他的人不致和馮一致，還想讓孫嶽等部先去擋一仗，同時急電魯督鄭士琦派兵應戰，那知鄭早與皖係通款，山東方麵隻有混成旅長潘鴻鈞自動赴援，潘是吳的同鄉，所以義不容辭，可是這點力量毫無幫助，結果全都被馮部包圍繳械。
當時有倒吳不倒曹的口號，吳也微有所聞，他想曹錕是個老好先生，大概別人不會向曹下毒手。所以當曹一日數電，聲嘶力竭地召喚他時，他還以為曹可以下令製止馮軍異動。但當他證實馮與胡景翼、孫嶽、王承斌等已聯為一氣，才倉皇回軍，火車一夜疾馳七百裏，趕返天津。留下前方軍事交給有勇無謀的張福來。然而，這一切既太遲，又無壯士斷腕的決心。
還有一條重要原因就是直軍的作戰經費嚴重不足，使吳佩孚用大量的精力籌措款項，仍然解決不了問題。直軍大部都嚴重欠餉，尤其是馮玉祥部已瀕臨饑寒交迫。臨行各部士兵隻領到一兩元的開拔費，許多上前線的士兵揚言：“到了戰場，放兩槍就算對得起他了。”而直係巨頭們（如曹家兄弟）各自擁有數千萬的身家財產，竟一毛不拔，焉有不敗之理？