張作霖在出任蒙疆經略使時，以親征外蒙為名，將奉軍擴編為十個混成旅。在這次擴編中，張學良、郭松齡均被晉陞為少將，一個擔任第三混成旅旅長，一個升任第八混成旅旅長，兩旅組成聯合司令部，合稱「三八旅」。
張學良名為旅長，但人常在總司令部參贊，聯合旅的行政、訓練均由郭松齡負實際責任。張學良自己也樂得卸責，對外聲稱：「我就是郭茂宸（郭松齡字茂宸），郭茂宸就是我。」
張學良懶得抓軍隊，郭松齡則是求之不得。他對聯合旅實行了一系列改革，除實行精兵主義，裁汰匪兵、兵痞外，還對軍官量才錄用，一遇部隊官佐出缺，即擇優升補。奉軍在未經整理之前，人事制度極不健全，護兵警衛是進身之階，親戚好友是陞官標準。只有聯合旅是按一定制度晉陞，這樣較為完整的人事制度，保證了軍無怨言，因為一旦軍官出缺，大家都知道應該由誰提升補缺。
郭松齡把「三八旅」訓練成奉軍精銳，是開了奉軍正規化的先河，當時所謂東三省新軍，指的就是郭松齡所練之兵。作為「三八旅」聲名在外的另一個最大受益人，張學良不僅被外界視為奉軍中的新派首腦，他在軍界的地位也相應得到鞏固，時人皆稱其為「少帥」。
民初那些叱吒風雲的重要人物，父輩再怎麼英雄蓋世，後代都少有能成才的，像袁世凱的長子袁克定還是個「坑爹」貨，活生生就把老子給坑死了。段祺瑞的長子段宏業與張學良同被列入民國「四公子」之列，但在軍政方面一無建樹，身上沒有一點其父的才能與魄力，以致段祺瑞要麼不提他這個兒子，一提起來就很生氣。與這些窩囊廢般的公子哥相比，張學良顯得格外突出，也令人眼羨，連段祺瑞的部下、皖系大將魏宗翰都曾為自己的老大叫屈：「張學良才十九歲就當旅長，固然是沾他父親的光，但總有相當的軍事知識和帶兵能力，怎麼段大少爺（指段宏業）就不行呢？」
在直奉戰爭中，張學良被任命為東路第二梯隊司令，郭松齡與「三八旅」列入該梯隊序列。開戰之初，郭松齡即率部一舉攻下勝芳鎮，日本所辦的《盛京時報》以大字標題進行報道，謂之「攻下勝芳之勝將郭松齡」。及至奉軍全線大敗，各旅都被打得支離破碎，唯有「三八旅」等部敗而未潰，仍保持著完整編製。
當奉軍在山海關集結時，張學良已逃回奉天，他給郭松齡寫信，信中說：「方今勢危時迫，榆關（即山海關）可守則守之，否則請退處一隅，養精蓄銳，以待再舉……望勿逞憤一時，置全軍於不顧也。」
按照町野的總結，張作霖最大的特點是不怕死，富於決斷力，即便吃了這麼大一個敗仗，仍要在灤州或山海關組織抵抗。張學良來信的意思則跟他老子完全相反，其實就是要郭松齡保存實力，把「三八旅」撤往關外。接信後，郭松齡頗費躊躇，想想張作霖新敗，要找個借口敷衍他或許不難，怕就怕吳佩孚緊追不放，乘勢對奉軍予以殲滅性打擊，須知，潰退部隊是最沒有戰鬥力和抵抗力的。
猶豫了半天，郭松齡派了個密使去見吳佩孚，要求停戰，條件是他將聯合各軍，逼迫張作霖下台，「三省交由人民自治」。誰知打了勝仗的吳佩孚尾巴翹到天，根本就不予理會。被吳秀才打了臉後，郭松齡又羞又怒，遂聯合李景林第三梯隊在山海關組織防禦。
直軍以破竹之勢追到山海關，滿以為奉軍已成烏合之眾，可一舉攻入關外，搗毀奉張的老巢，不料卻在山海關石門寨一線遭到「三八旅」王升文團的猛烈抗擊。王團戰鬥力之強，遠遠超出曹、吳意料之外，結果雖然團長王升文陣亡，全團官兵也損失甚重，但畢竟阻擊了直軍的攻勢，穩住了整個奉軍的陣腳。與此同時，李景林第三梯隊也打得不錯，直軍的進攻鋒芒受到極大挫折。
山海關戰役雖然主要是由郭松齡、張景林實際指揮，但張學良卻是名義上的戰場最高指揮官，等於又不花力氣地拿到了功勞，他對此很得意，後來回憶說：「第一次直奉戰爭時，奉軍所有部隊都被打垮了，就我指揮的部隊沒有被打敗，不僅沒被打敗，還把吳佩孚的軍隊給打了，我就是這樣起來的。」
山海關戰役的勝利只是讓奉軍喘了口氣，並無力量反擊或與直軍大打出手，於是張作霖藉著取勝之機，托人請英國公使和傳教士出面調解，欲與直系議和。經此一戰，曹、吳認識到張作霖仍擁有實力，並不是他們想滅就能立刻滅得了的，而且直軍大部隊在追到山海關時同樣已精疲力竭，遂也決定見好就收。
1922年6月16日，張學良與直方代表王承斌會晤於秦皇島車站。次日，雙方即在秦皇島港英艦上正式簽訂了停戰和約。