大戰之前，奉軍的安排是將入關部隊分為東、西兩路。西路由張景惠擔任總司令，司令部設在長辛店，下轄三個梯隊：第一梯隊由張景惠兼司令，轄張景惠的第一師、陳錫武的騎兵第一旅；第二梯隊由鄒芬任司令，司令部設在西苑，轄鄒芬的第十六師、鮑德山的第六混成旅；第三梯隊由鄭殿升任司令，司令部設在通縣，轄鄭殿升的第二混成旅、牛永福的第九混成旅、趙恩臻的第十混成旅。東路以張作相為總司令，司令部設在落垡。下轄三個梯隊：第一梯隊由張作相兼司令，轄張作相的第二十七師、張作濤的第五十六旅，出廊坊，奔武清；第二梯隊由張學良任司令，轄張學良的第三混成旅、蔡平本的第四混成旅、郭松齡的第八混成旅，出霸縣，向保定；第三梯隊由李景林任司令，轄李景林的第七混成旅、闞朝璽的第一混成旅，由馬廠奔大城。此外，許蘭洲的騎兵兵團配合李景林左翼，活動於大城和青縣之間。
從以上佈置來看，奉軍以精銳部隊張學良等部進攻保定，當時保定是直系活動中心，體現了張作霖威逼保定以震懾直系的戰略目的，但張學良所部兵力太少，僅三個旅，兵力不足在後來戰場上體現了出來，使得張學良在初期取得勝利後未能乘勝進逼，在直系不斷增援的情況下轉勝為敗，錯失良機。
此外奉軍的佈置還存在一個致命缺點，那就是任命鄒芬為西路第二梯隊司令，這鄒芬所轄的第十六師原為王廷楨的部隊，也就是由老直系馮國璋掌管的清廷禁衛軍拆分而成。清廷禁衛軍原本由旗人組成，對清室無比忠誠，但在袁世凱威逼清帝退位時受了欺騙而未發一槍，心裡窩了一肚子的氣。好在馮國璋還算守承諾，到哪兒都讓由原清廷禁衛軍改編而來的第十五師、第十六師跟著，沒有遣散它。馮國璋死後，這兩支部隊就歸了北京政府，此時北京政府由皖系掌控，在直皖戰爭中第十五師反水，成為皖系戰敗的原因之一；這次輪到第十六師了，因為他們本來就是在皖系失敗後被奉軍收編的，對奉軍也沒啥忠誠度。清廷滅亡了，官兵們普遍不知道為誰而戰，相較而言還是對直系要好一點，畢竟他們的老上司馮國璋是直系的人，所以戰事稍有不利，他們就臨陣反水。事後證明，鄒芬的第十六師成為第一次直奉戰爭的勝敗手，可惜張作霖當時並沒有察覺這一潛在危險。
針對奉軍的安排，直軍將其部隊分為東、中、西三路。西路司令孫岳，率董政國第十三混成旅、孫岳第十五混成旅進攻長辛店，張錫元的第四混成旅為預備隊；中路以王承斌為司令，率所部第二十三師的第四十五旅及第三師的楊清臣第六旅，由霸縣進攻信安；東路以彭壽莘為司令，率所部第十四混成旅及張國熔第二十六師的一個旅進攻白洋橋。另外，馮玉祥率第十一師及胡景翼暫編第一師、靳雲鶚第八混成旅出師河南，監視與奉系有勾結的趙倜，張福來第二十四師等部則為援軍。
1922年4月27日，第一次直奉大戰爆發了。吳佩孚親自率領西路直軍張福來第二十四師、董政國第十三混成旅向奉軍駐守的長辛店發起正面進攻。而孫岳第十五混成旅則繞過長辛店右側，從側翼向奉軍猛攻。奉軍在長辛店配有重炮二十一門，他們充分發揮了大炮的威力，四個小時發射炮彈一萬餘發，直軍傷亡纍纍，但還是攻下了長辛店，張景惠、鄒芬揮師向東北方向退走。正在此時，張作霖、楊宇霆派來的援軍到了，他們料定張景惠鬥不過吳佩孚，所以派汲金純挑選第二十八師精銳部隊3500餘人趕赴長辛店接應，有了這支生力軍，張景惠第一師、鄒芬第十六師又殺回了長辛店。直軍董政國、孫岳部剛剛佔領長辛店，還沒來得及部置防務即遇到了奉軍反擊，被迫撤退。4月29日拂曉，奉軍將直軍一直趕到了琉璃河。
接下來雙方又在琉璃河展開大戰。奉軍假作不支，董政國、孫岳率部過河追擊，結果被奉軍在竇店以北打了埋伏，直軍損失較大，逃回竇店。這時，吳佩孚派出一個團在大灰廠附近故作疑兵，張景惠怕直軍兩面夾擊，於是下令再退，直軍銜尾猛攻，張景惠又退到了長辛店，緊接著退往盧溝橋。緊要關頭，張作霖派出的齊恩銘第五混成旅以及一支騎兵趕到，奉軍發動反擊，將直軍驅回長辛店。
雙方在長辛店不斷拉鋸的時候，東路也展開了激戰。4月27日拂曉，直軍東路由彭壽莘統率的張國熔第二十六師向駐紮在靜海的奉軍李景林部發動進攻，被奉軍打退，張國熔撤回大城。29日，奉軍東路總司令張作相親自來攻，張國熔不支，率部西撤任丘。任丘是保定的屏障，不容有失，為此，吳佩孚急命王承斌第二十三師增援任丘，奉軍張作相、李景林部虛晃一槍後退去，轉而攻擊牛駝鎮之彭壽莘第十四旅，佔領了牛駝鎮，與鮑德山第十六混成旅攻克的固安形成了掎角之勢。張學良率領第三、第四兩個混成旅由靜海北上獨流，佔領了津西要地勝芳後，猛攻直軍重要據點霸縣，於5月1日攻克霸縣，奉軍形勢一片大好。
5月2日，直軍中路王承斌率領的第二十三師第四十五旅及第三師第六旅向固安和霸縣挺進，佔領了慈茶埠，截斷了固安和霸縣之間的聯繫，張學良不敢怠慢，急調兩個旅協同張學良、郭松齡第三、第八兩個混成旅反攻，直軍漸呈不支之勢。這時吳佩孚為保住慈茶埠，採取了圍魏救趙的策略，他急調直軍精銳第三師第十二旅去攻永清，又在奉軍援救永清的路上布下了張錫元的第四旅和李鳴鐘的第二十一旅。張學良獲知永清告急，從有限兵力中抽出1200名敢死隊馳援永清，結果陷入了張錫元和李鳴鐘布下的重圍中，悉數被殲。張錫元和李鳴鐘乘勝進軍。由於慈茶埠失陷，張學良擔心被直軍包圍，只好緊急撤退，直軍在後拚命追擊，津西要地勝芳重新落入了直軍之手。
從以上情況可以看到，作為東路的開路先鋒，張學良由於兵力不足，面對直軍的精銳第三師和第二十三師兩支部隊的猛攻能夠全身而退已實屬不易，張學良在東路牽制了直軍的精銳，那麼在西路無論是兵力還是裝備均明顯佔優勢的張景惠就應該撿便宜了，可惜的是西路張景惠未能將數量上的優勢變成戰場上的勝勢。
5月3日，西路也發生了逆轉。此時奉軍西路有張景惠第一師、鄒芬第十六師以及先後增援的汲金純第二十八師、齊恩銘第五混成旅、鄭殿升的第二混成旅、牛永福的第九混成旅以及察哈爾騎兵旅，而直軍仍然是開戰時候的張福來第二十四師、董政國第十三混成旅以及孫岳第十五混成旅，實際上用於進攻的則只有董政國旅以及孫岳旅。在長辛店拉鋸形成僵局的時候，處於核心位置的奉軍第十六師反水了，身受重傷的師長鄒芬無力約束部下，只好跟著投降，導致長辛店和盧溝橋的奉軍有被直軍分割包圍的危險。在此要命時候，吳佩孚又投入了關鍵的張錫元第四混成旅和李鳴鐘的第二十一旅，給奉軍形成了最後的致命一擊。張錫元旅和李鳴鐘旅打了一個時間差，在擊退張學良之後星夜兼程趕到豐台至南苑一線，從側背攻擊仍在堅持的鄭殿升旅及牛永福旅。
於是西路全線潰退。張錫元旅乘勝追擊，當日追到楊村。西路奉軍大敗，被繳械者3萬餘人，總司令張景惠帶著幾個衛兵隻身逃回北京，他知道對奉軍失敗負有重大責任，不敢回奉天，此後就一直寓居北京直至第二次直奉大戰。
5月4日，苦等援兵不到的永清被直軍攻克，此時西線長辛店已經大敗，戰局發生了逆轉，東路總司令張作相下令全線撤退。等直軍張錫元旅由楊村追到奉軍大本營落垡時，已經人去城空，奉軍已經撤到了軍糧城。張作霖看到大勢已去，便匆匆趕回天津，下達了總退卻令，隨即逃往灤州，奉軍交替掩護，逐次退往關外。第一次直奉大戰以奉軍的徹底失敗而告終。
綜觀第一次直奉大戰的整個過程，此時的「土匪」張作霖還遠不是「秀才」吳佩孚的對手。拋開直奉兩軍的士氣以及作戰能力不談，單從技戰術安排上就顯示出了吳佩孚的高超水平：比如在西路以極少兵力牽制奉軍大部分兵力，而在東路以精銳部隊形成局部優勢；比如在東路還採取了誘敵深入、分割包圍和圍點打援等戰略戰術；再比如對直系精銳張錫元旅的使用上，吳佩孚就已經體現出了後來毛澤東同志所總結出來的運動戰技巧。該旅在擊退張學良和擊潰張景惠兩處均起到了關鍵性作用，而前後時間只差一天，這一天就是該旅從張學良處運動到張景惠處的時間差。反觀張作霖，戰術死板，還停留在當年剿匪時代所擅長使用的猛打猛衝階段。對大炮的使用也沒有科學控制，墜入了吳佩孚的計謀之中，在吳佩孚的誘使之下開頭幾天就把炮彈打光了，等到後期直系主力壓上時卻面臨無炮可用的窘境，從而給吳佩孚率軍突破取勝造成了良機。
張作霖在北方的迅速失敗超出了國人的想像，他敗得是那麼快，以至於前後只有6天。他自己失敗不打緊，大不了退往關外以後捲土重來就是了，關鍵是他的迅速失敗還害苦了一個人，這個人就是南方的孫中山。
第一次直奉大戰爆發時孫中山很高興，按照他的設想，奉繫好歹是北方稱霸一方的諸侯，即使落敗至少也能撐個兩月三月的，如果這時他從南方舉兵北伐，那麼直系一定抽不出兵來與他對抗，北伐大業可成。前文已經講過，孫中山於1921年年底就召開了軍事會議，部置了號稱20萬人的北伐方案，一直沒有北伐就在於要等張作霖一起行動。4月27日直奉戰爭爆發，孫中山深感這是聯合奉、皖軍閥夾擊直系的千載良機，必須立即出兵策應。1922年5月4日孫中山下令北伐，任命李烈鈞為北伐軍總司令，許崇智為總指揮，提出「受國民之托，樹立共和，懲治邪惡，民治發達」口號，分兵三路，直取江西。但是還沒等到北伐軍進入江西境內，張作霖就已經完全失敗了，南北聯手夾擊直軍的計劃化為泡影。孫中山心裡那個苦啊，只能用一句話形容，那就是造化弄人。明知沒了奉系的支持北伐殊無勝算，但孫中山已經沒有退路了，北伐只能硬著頭皮進行。6月16日，留在廣東的陳炯明部隊對孫中山的總統府和住處粵秀樓進行炮擊。孫中山事先得到消息登上永豐艦，率海軍討逆，並電令北伐軍回師靖亂。8月9日，北伐軍回師失利，孫中山把他好不容易才在兩廣積累下來的本錢輸得乾乾淨淨，隻身一人逃往上海，北伐失敗。
第一次直奉大戰虧得精光的除了南方的孫中山，還有河南省督軍趙倜。趙倜這人本來與張作霖暗中聯繫，但直奉大戰爆發了很多天他都遲遲不敢出兵。5月4日，正當奉軍由勝轉敗之時，他卻突然出兵了。原因倒不是他特別仗義，而是他的消息來源有誤。這一天他得到消息說是吳佩孚在前線已經戰死，又得到5月3日的過時消息說是奉軍攻佔了霸縣，正在逼近保定，於是他據此判斷直軍必敗，為了搶奪勝利果實，他趕忙下令其所屬趙傑、寶德全等部直襲鄭州。然而戰機已失，奉軍於5月4日急轉直下，全線潰敗。5月5日，吳佩孚在京津戰場勝負已定的情勢下，命直軍第十一師師長馮玉祥為討趙總司令，率直軍第十一師、第二師第二十一旅等部向鄭州發動進攻。5月6日晨，趙軍二十個營先敵發起衝鋒，迫使直軍後撤，並進據黃河鐵橋。直軍幾次發動進攻，均未奏效。中午，直軍增兵第八混成旅、第四十旅全力進行反攻。經過1晝夜戰鬥，直軍於5月7日晨攻破黃河鐵橋，進據鄭州。趙倜率殘部向中牟退卻。直軍傷亡2000餘人，趙軍傷亡1000餘人。5月7日，馮玉祥立即命令直軍分三路向中牟展開追擊。中路為直軍第十一師，由鄭州、洛河出發；左路為第二十五混成旅，由原武、陽封(今河南原陽縣)出發；右路為第八混成旅，由新鄭、興店出發。當日午夜，直軍完成對中牟的包圍。此時，張作霖的奉軍已完全戰敗，正向山海關緊急撤退——消息傳來趙軍更無鬥志。5月8日上午，直軍向被圍困於中牟的趙軍發起總攻擊，全殲守軍。之後乘勝直驅開封，殲滅趙軍殘部。至此，趙倜在河南的所有部隊被肅清，河南全境為直軍所佔領。北京政府旋即任命馮玉祥為河南督軍。
第一次直奉大戰張作霖輸得很慘，奉軍死傷3萬餘人，被俘4萬人，軍費損失3000餘萬。最要命的是軍隊士氣全無，直軍緊追不捨，如此危局如何渡過難關？
困難時候，總有兄弟相幫，以前做土匪的時候是那不要命的湯二虎，這回事業做大了，湯二虎不行了，那又會是誰在危難中之中撐持張作霖一把，這個人就是孫烈臣，時任鎮威軍副總司令兼吉林省督軍。