大战之前，奉军的安排是将入关部队分为东、西两路。西路由张景惠担任总司令，司令部设在长辛店，下辖三个梯队：第一梯队由张景惠兼司令，辖张景惠的第一师、陈锡武的骑兵第一旅；第二梯队由邹芬任司令，司令部设在西苑，辖邹芬的第十六师、鲍德山的第六混成旅；第三梯队由郑殿升任司令，司令部设在通县，辖郑殿升的第二混成旅、牛永福的第九混成旅、赵恩臻的第十混成旅。东路以张作相为总司令，司令部设在落垡。下辖三个梯队：第一梯队由张作相兼司令，辖张作相的第二十七师、张作涛的第五十六旅，出廊坊，奔武清；第二梯队由张学良任司令，辖张学良的第三混成旅、蔡平本的第四混成旅、郭松龄的第八混成旅，出霸县，向保定；第三梯队由李景林任司令，辖李景林的第七混成旅、阚朝玺的第一混成旅，由马厂奔大城。此外，许兰洲的骑兵兵团配合李景林左翼，活动于大城和青县之间。
从以上布置来看，奉军以精锐部队张学良等部进攻保定，当时保定是直系活动中心，体现了张作霖威逼保定以震慑直系的战略目的，但张学良所部兵力太少，仅三个旅，兵力不足在后来战场上体现了出来，使得张学良在初期取得胜利后未能乘胜进逼，在直系不断增援的情况下转胜为败，错失良机。
此外奉军的布置还存在一个致命缺点，那就是任命邹芬为西路第二梯队司令，这邹芬所辖的第十六师原为王廷桢的部队，也就是由老直系冯国璋掌管的清廷禁卫军拆分而成。清廷禁卫军原本由旗人组成，对清室无比忠诚，但在袁世凯威逼清帝退位时受了欺骗而未发一枪，心里窝了一肚子的气。好在冯国璋还算守承诺，到哪儿都让由原清廷禁卫军改编而来的第十五师、第十六师跟着，没有遣散它。冯国璋死后，这两支部队就归了北京政府，此时北京政府由皖系掌控，在直皖战争中第十五师反水，成为皖系战败的原因之一；这次轮到第十六师了，因为他们本来就是在皖系失败后被奉军收编的，对奉军也没啥忠诚度。清廷灭亡了，官兵们普遍不知道为谁而战，相较而言还是对直系要好一点，毕竟他们的老上司冯国璋是直系的人，所以战事稍有不利，他们就临阵反水。事后证明，邹芬的第十六师成为第一次直奉战争的胜败手，可惜张作霖当时并没有察觉这一潜在危险。
针对奉军的安排，直军将其部队分为东、中、西三路。西路司令孙岳，率董政国第十三混成旅、孙岳第十五混成旅进攻长辛店，张锡元的第四混成旅为预备队；中路以王承斌为司令，率所部第二十三师的第四十五旅及第三师的杨清臣第六旅，由霸县进攻信安；东路以彭寿莘为司令，率所部第十四混成旅及张国熔第二十六师的一个旅进攻白洋桥。另外，冯玉祥率第十一师及胡景翼暂编第一师、靳云鹗第八混成旅出师河南，监视与奉系有勾结的赵倜，张福来第二十四师等部则为援军。
1922年4月27日，第一次直奉大战爆发了。吴佩孚亲自率领西路直军张福来第二十四师、董政国第十三混成旅向奉军驻守的长辛店发起正面进攻。而孙岳第十五混成旅则绕过长辛店右侧，从侧翼向奉军猛攻。奉军在长辛店配有重炮二十一门，他们充分发挥了大炮的威力，四个小时发射炮弹一万余发，直军伤亡累累，但还是攻下了长辛店，张景惠、邹芬挥师向东北方向退走。正在此时，张作霖、杨宇霆派来的援军到了，他们料定张景惠斗不过吴佩孚，所以派汲金纯挑选第二十八师精锐部队3500余人赶赴长辛店接应，有了这支生力军，张景惠第一师、邹芬第十六师又杀回了长辛店。直军董政国、孙岳部刚刚占领长辛店，还没来得及部置防务即遇到了奉军反击，被迫撤退。4月29日拂晓，奉军将直军一直赶到了琉璃河。
接下来双方又在琉璃河展开大战。奉军假作不支，董政国、孙岳率部过河追击，结果被奉军在窦店以北打了埋伏，直军损失较大，逃回窦店。这时，吴佩孚派出一个团在大灰厂附近故作疑兵，张景惠怕直军两面夹击，于是下令再退，直军衔尾猛攻，张景惠又退到了长辛店，紧接着退往卢沟桥。紧要关头，张作霖派出的齐恩铭第五混成旅以及一支骑兵赶到，奉军发动反击，将直军驱回长辛店。
双方在长辛店不断拉锯的时候，东路也展开了激战。4月27日拂晓，直军东路由彭寿莘统率的张国熔第二十六师向驻扎在静海的奉军李景林部发动进攻，被奉军打退，张国熔撤回大城。29日，奉军东路总司令张作相亲自来攻，张国熔不支，率部西撤任丘。任丘是保定的屏障，不容有失，为此，吴佩孚急命王承斌第二十三师增援任丘，奉军张作相、李景林部虚晃一枪后退去，转而攻击牛驼镇之彭寿莘第十四旅，占领了牛驼镇，与鲍德山第十六混成旅攻克的固安形成了掎角之势。张学良率领第三、第四两个混成旅由静海北上独流，占领了津西要地胜芳后，猛攻直军重要据点霸县，于5月1日攻克霸县，奉军形势一片大好。
5月2日，直军中路王承斌率领的第二十三师第四十五旅及第三师第六旅向固安和霸县挺进，占领了慈茶埠，截断了固安和霸县之间的联系，张学良不敢怠慢，急调两个旅协同张学良、郭松龄第三、第八两个混成旅反攻，直军渐呈不支之势。这时吴佩孚为保住慈茶埠，采取了围魏救赵的策略，他急调直军精锐第三师第十二旅去攻永清，又在奉军援救永清的路上布下了张锡元的第四旅和李鸣钟的第二十一旅。张学良获知永清告急，从有限兵力中抽出1200名敢死队驰援永清，结果陷入了张锡元和李鸣钟布下的重围中，悉数被歼。张锡元和李鸣钟乘胜进军。由于慈茶埠失陷，张学良担心被直军包围，只好紧急撤退，直军在后拼命追击，津西要地胜芳重新落入了直军之手。
从以上情况可以看到，作为东路的开路先锋，张学良由于兵力不足，面对直军的精锐第三师和第二十三师两支部队的猛攻能够全身而退已实属不易，张学良在东路牵制了直军的精锐，那么在西路无论是兵力还是装备均明显占优势的张景惠就应该捡便宜了，可惜的是西路张景惠未能将数量上的优势变成战场上的胜势。
5月3日，西路也发生了逆转。此时奉军西路有张景惠第一师、邹芬第十六师以及先后增援的汲金纯第二十八师、齐恩铭第五混成旅、郑殿升的第二混成旅、牛永福的第九混成旅以及察哈尔骑兵旅，而直军仍然是开战时候的张福来第二十四师、董政国第十三混成旅以及孙岳第十五混成旅，实际上用于进攻的则只有董政国旅以及孙岳旅。在长辛店拉锯形成僵局的时候，处于核心位置的奉军第十六师反水了，身受重伤的师长邹芬无力约束部下，只好跟着投降，导致长辛店和卢沟桥的奉军有被直军分割包围的危险。在此要命时候，吴佩孚又投入了关键的张锡元第四混成旅和李鸣钟的第二十一旅，给奉军形成了最后的致命一击。张锡元旅和李鸣钟旅打了一个时间差，在击退张学良之后星夜兼程赶到丰台至南苑一线，从侧背攻击仍在坚持的郑殿升旅及牛永福旅。
于是西路全线溃退。张锡元旅乘胜追击，当日追到杨村。西路奉军大败，被缴械者3万余人，总司令张景惠带着几个卫兵只身逃回北京，他知道对奉军失败负有重大责任，不敢回奉天，此后就一直寓居北京直至第二次直奉大战。
5月4日，苦等援兵不到的永清被直军攻克，此时西线长辛店已经大败，战局发生了逆转，东路总司令张作相下令全线撤退。等直军张锡元旅由杨村追到奉军大本营落垡时，已经人去城空，奉军已经撤到了军粮城。张作霖看到大势已去，便匆匆赶回天津，下达了总退却令，随即逃往滦州，奉军交替掩护，逐次退往关外。第一次直奉大战以奉军的彻底失败而告终。
综观第一次直奉大战的整个过程，此时的“土匪”张作霖还远不是“秀才”吴佩孚的对手。抛开直奉两军的士气以及作战能力不谈，单从技战术安排上就显示出了吴佩孚的高超水平：比如在西路以极少兵力牵制奉军大部分兵力，而在东路以精锐部队形成局部优势；比如在东路还采取了诱敌深入、分割包围和围点打援等战略战术；再比如对直系精锐张锡元旅的使用上，吴佩孚就已经体现出了后来毛泽东同志所总结出来的运动战技巧。该旅在击退张学良和击溃张景惠两处均起到了关键性作用，而前后时间只差一天，这一天就是该旅从张学良处运动到张景惠处的时间差。反观张作霖，战术死板，还停留在当年剿匪时代所擅长使用的猛打猛冲阶段。对大炮的使用也没有科学控制，坠入了吴佩孚的计谋之中，在吴佩孚的诱使之下开头几天就把炮弹打光了，等到后期直系主力压上时却面临无炮可用的窘境，从而给吴佩孚率军突破取胜造成了良机。
张作霖在北方的迅速失败超出了国人的想象，他败得是那么快，以至于前后只有6天。他自己失败不打紧，大不了退往关外以后卷土重来就是了，关键是他的迅速失败还害苦了一个人，这个人就是南方的孙中山。
第一次直奉大战爆发时孙中山很高兴，按照他的设想，奉系好歹是北方称霸一方的诸侯，即使落败至少也能撑个两月三月的，如果这时他从南方举兵北伐，那么直系一定抽不出兵来与他对抗，北伐大业可成。前文已经讲过，孙中山于1921年年底就召开了军事会议，部置了号称20万人的北伐方案，一直没有北伐就在于要等张作霖一起行动。4月27日直奉战争爆发，孙中山深感这是联合奉、皖军阀夹击直系的千载良机，必须立即出兵策应。1922年5月4日孙中山下令北伐，任命李烈钧为北伐军总司令，许崇智为总指挥，提出“受国民之托，树立共和，惩治邪恶，民治发达”口号，分兵三路，直取江西。但是还没等到北伐军进入江西境内，张作霖就已经完全失败了，南北联手夹击直军的计划化为泡影。孙中山心里那个苦啊，只能用一句话形容，那就是造化弄人。明知没了奉系的支持北伐殊无胜算，但孙中山已经没有退路了，北伐只能硬着头皮进行。6月16日，留在广东的陈炯明部队对孙中山的总统府和住处粤秀楼进行炮击。孙中山事先得到消息登上永丰舰，率海军讨逆，并电令北伐军回师靖乱。8月9日，北伐军回师失利，孙中山把他好不容易才在两广积累下来的本钱输得干干净净，只身一人逃往上海，北伐失败。
第一次直奉大战亏得精光的除了南方的孙中山，还有河南省督军赵倜。赵倜这人本来与张作霖暗中联系，但直奉大战爆发了很多天他都迟迟不敢出兵。5月4日，正当奉军由胜转败之时，他却突然出兵了。原因倒不是他特别仗义，而是他的消息来源有误。这一天他得到消息说是吴佩孚在前线已经战死，又得到5月3日的过时消息说是奉军攻占了霸县，正在逼近保定，于是他据此判断直军必败，为了抢夺胜利果实，他赶忙下令其所属赵杰、宝德全等部直袭郑州。然而战机已失，奉军于5月4日急转直下，全线溃败。5月5日，吴佩孚在京津战场胜负已定的情势下，命直军第十一师师长冯玉祥为讨赵总司令，率直军第十一师、第二师第二十一旅等部向郑州发动进攻。5月6日晨，赵军二十个营先敌发起冲锋，迫使直军后撤，并进据黄河铁桥。直军几次发动进攻，均未奏效。中午，直军增兵第八混成旅、第四十旅全力进行反攻。经过1昼夜战斗，直军于5月7日晨攻破黄河铁桥，进据郑州。赵倜率残部向中牟退却。直军伤亡2000余人，赵军伤亡1000余人。5月7日，冯玉祥立即命令直军分三路向中牟展开追击。中路为直军第十一师，由郑州、洛河出发；左路为第二十五混成旅，由原武、阳封(今河南原阳县)出发；右路为第八混成旅，由新郑、兴店出发。当日午夜，直军完成对中牟的包围。此时，张作霖的奉军已完全战败，正向山海关紧急撤退——消息传来赵军更无斗志。5月8日上午，直军向被围困于中牟的赵军发起总攻击，全歼守军。之后乘胜直驱开封，歼灭赵军残部。至此，赵倜在河南的所有部队被肃清，河南全境为直军所占领。北京政府旋即任命冯玉祥为河南督军。
第一次直奉大战张作霖输得很惨，奉军死伤3万余人，被俘4万人，军费损失3000余万。最要命的是军队士气全无，直军紧追不舍，如此危局如何渡过难关？
困难时候，总有兄弟相帮，以前做土匪的时候是那不要命的汤二虎，这回事业做大了，汤二虎不行了，那又会是谁在危难中之中撑持张作霖一把，这个人就是孙烈臣，时任镇威军副总司令兼吉林省督军。