1924年10月17日，直、奉两军山海关战役开始。直系军队凭借有利地形，抵抗奉军的猛攻，双方对峙，伤亡都很惨重。10月23日，直系将领冯玉祥发动北京政变，囚禁曹锟。因此，直军军心大动，迅速退至天津一线，等待江浙直军援助以图回师北京。奉军长驱直入，切断了直军与榆关（山海关）的交通。与此同时，山东督军郑士琦宣布“武装中立”，不许江浙援军通过，山西督军阎锡山进占石家庄。吴佩孚首尾无援，在奉军和国民军夹击下溃不成军。10月31日，山海关战役以直系失败而告终。直系的重要将领由秦皇岛乘船逃回天津，其余全部被奉军所俘。