1924年9月15日，張作霖在奉天組織鎮威軍總司令部，自任總司令。東三省共有二十五萬軍隊，他們被編成六個軍，其中四個軍約十五萬人直接用於入關作戰。張作霖同時任命楊宇霆為總參謀長，會同姜登選等人具體籌劃入關作戰的細節。
商討入關作戰，首先要解決如何入關。當時由奉天入關不外乎兩條路，一是由山海關入關，二是由熱河入關。山海關一路較近，而且地勢平坦，有現成的京奉鐵路可以利用，乃是進關的大道和捷徑，不過此處直軍的防備也較為嚴密。相對而言，熱河較遠，交通運輸困難，但直軍的兵力空虛。另外，若出兵熱河的話，還可以預防吳佩孚以重兵出朝陽，從而威脅錦州，切斷錦州以下全軍的後路。
張作霖最後採納了姜登選的方案，即先從熱河進兵，等熱河方面進至與山海關一線齊平時，再與集結於山海關前的主力一起出擊。為了適應這一戰略，張作霖派李景林第二軍出熱河，姜登選第一軍、張學良第三軍則在山海關至九門口一線待機。
善於用人是張作霖的另一個突出特點。此時孫烈臣已病逝，張作相、吳俊升、湯玉麟等舊派人物雖然能力平庸，無所作為，但卻能夠對張作霖唯命是從，忠誠度也較高，張作霖就讓他們領著第四、第五軍屯守後防，作為增援部隊，不直接參戰。對於直接參戰的新派人物，張作霖也「一個饅頭搭一塊糕」，根據將領們不同的性格進行精心搭配。比如，第一軍副軍長韓麟春個性急躁，喜歡不謀而動，第三軍副軍長郭松齡則貪功心切，好勝輕敵，張作霖就分別以姜登選、張學良進行制約。姜登選以沉靜克制著稱，張學良與郭松齡關係密切，就當時來講也能說服得了郭松齡。
戰爭打響後，從熱河出擊的第二軍進展迅速，很快就佔領了朝陽。韓麟春、郭松齡果然都按捺不住，兩人一個勁地催促著要求立即向山海關發動攻擊。姜、張均堅持既定方針不為所動，張學良說：「要攻必須得老將（奉系內部對張作霖的稱呼）許可。」韓、郭始默然而去。
等到第二軍逼近承德，韓、郭又叫喊著要向山海關進攻。姜、張則認為第二軍尚未到達長城一線，側翼仍存在不安全因素，故還是堅持原方針。直至10月7日，第二軍拿下承德，前鋒位置與山海關、九門口一線持平，姜、張在確定側背安全，已無威脅後，他們才下令發起全線攻擊。
山海關與九門口兩地之間有一座不可逾越的大山，它把山海關分成了兩個戰場，一為山海關正面，一為九門口及其以北以西附近各口。按照事先制訂的作戰計劃，前者由郭松齡負責，後者由韓麟春率負責，第一、第三軍另外成立指揮部，對戰場進行統一指揮，兩軍也因此合稱為「一三聯軍」。
地形上，山海關正面比較平坦，九門口一帶則山嶺連綿不絕，指揮部預計山海關正面戰場會先得手，所以在這方面配備的兵力最多，而且全都是久經沙場、富有作戰經驗的精銳老兵。結果是這一戰場倒是戰鬥最激烈，死傷也最重，可就是攻不破對方的陣地。
郭松齡屬於勇將派將領，作戰主要靠硬打硬拚。進攻受挫，他不加以分析研究，仔細想想為什麼受挫，反而仍是一味督兵強攻，大有不奪取山海關絕不甘心之勢。眼見得第三軍參戰部隊傷亡慘重，用張學良後來的話說，「我有一個團，差不多整個地全完了」，面對此情此景，連坐在指揮部裡的張學良都感到吃不消，他對郭松齡說：「老郭，不能再干了，如果再賭氣，咱們的本錢要輸光了！」
原來山海關正面雖然平坦，看上去沒有什麼不可逾越的險要，但卻正好有利於守軍消滅射擊死角，從而充分發揮其熾盛火力的威力，也就是說此處貌似易攻難守，實質易守難攻。與之相反，九門口一帶表面險要，運動困難，實際山嶺愈高，死角愈大，也愈容易避開守軍的火力。
民初時軍用地圖稀缺，能找到的可用地圖，只有清末各省測量局所測繪的二萬五千分之一地圖，由於它對地形地貌的描寫非常簡略，所以軍事上的使用價值並不大。作戰開始時，聯軍指揮部憑圖查看，然而看來看去，對於九門口附近到底有哪些關口，有無道路可通關內，仍然是一頭霧水。這時町野的日本顧問一職早已到期，張作霖又改聘他為私人顧問，日本政府派來接替町野的是儀我誠也。儀我住在聯軍指揮部，他隨身攜帶有日本參謀本部間諜秘密在中國測繪的地圖一份，該地圖為五萬分之一地圖，儘管比例尺比中國地圖大一些，但十分精細。指揮部借來一看（只能借閱查看，不允許翻印），才發現九門口附近還有多處小路和山口，且有羊腸小徑直通關內。
指揮部如獲至寶，當即根據這份地圖擬訂攻擊計劃，並由韓麟春部孫旭昌團擔任主攻。孫團平時系姜登選親自掌握的部隊，戰鬥力極強，尤善於山地攻堅。這個團上去後，很快就沿著小路山口，採用分進合擊的方式拿下了九門口。