年内战场面中，是绝无仅有的一次。
当吴佩孚上前线时，也正是北京城内谣言满天飞的时候，前方战报多不利于直军，有传第一军司令彭寿莘阵亡，有传某军哗变，可是这都是不可靠的消息。
13年10月12日上午4时半，吴佩孚的专车抵达山海关，停靠于长城墙傍，吴佩孚即率幕僚和卫兵急驰前线，登长城视察战况。这时直奉两军激烈鏖战，隆隆大炮震动大地，硝烟冉冉上升。
吴佩孚上前线的消息，遍传直军，对军心士气有极大的鼓舞，而通奉的冯玉荣听说吴已到达前线，遂畏罪自杀。吴遂直接调遣十三混成旅，另筑阵地稳住了阵脚。
讨逆军总部在吴亲赴前线后，遂设于吴的专车上。吴总部的直属部队则张营帐于车站内。吴每天早起偕同参谋长以下僚属四出视察，有时则乘坐渤海舰队司令官温树德所率领之旗舰游弋海上，指挥海军炮击葫芦岛。只是因为海军不够配合，所以不能收奇袭之效。于是改变作战计划，倾其全力对付奉军右翼，令后援军总司令张福来率重兵恢复狭隘的九门口，张福来军经过激烈战争，使榆关的战况渐趋有利。
奉军在秦皇岛上空展开空袭，奉军飞机四架、七架的编队，不断盘旋轰炸，但损害并不严重。奉军之所以向秦皇岛空袭，因为秦皇岛是直方的海军集中地，当时在秦皇岛海面停泊了不少舰队，计有直军的渤海舰队六艘及运送海陆军的运输船20余艘，此外还有外国军舰20余艘，舷舵相望，桅樯林立。岸上则大军云集，往来紧张。
吴在前线督战时，对于冯玉祥的行动颇为注意。冯本人在怀柔按兵不动，有坐观成败之势，吴命参谋长张方严电催各军急赴前线，张给冯玉祥一电，为了加强语气所以在电文后加了一句：“大局转危为安赖斯一举。”这本来是普通的加强语气句子，可是在微妙的时候，这句话就有了问题。冯玉祥虽然已和奉张暗通款曲，但他确有坐观成败之意，他要看直军有了败兆才敢动手。吴上前线后，冯是犹豫的，他怕吴在前线打了胜仗，他一发动，吴率师回京平乱，他就完了。所以他在待机而动，所得情报来自直军总部的，是胜利在望；来自日方的，则谓直军不利，前线危急。当他收到吴的参谋长来电催促进兵时，他认为直军失败的可能性增大了，因此乃下了决心“倒戈”。移后方作前方向北京回师，在吴佩孚后方放了一把火。
13年10月23日的傍晚冯玉祥率军退出阵线，回师北京，直奉战场形势大为改变。
24日晨，吴佩孚尚不知后方突变，他好整以暇地率僚属赴九门口督战，直军前线士气转旺，奉军攻势曾受阻遏，战局颇有转机。中午时分，吴佩孚的日籍顾问冈野增次郎先后接到来自北京和天津打来的最紧急电报，内容大同小异，均言“讨逆军第三军司令冯玉祥等于二十三日下午六时退出战场，未经枪战即攻入北京，发动政变，曹锟总统已失自由，北京情况不明，酝酿巨变。”电报中所列参加政变人士均为直系巨头，包括冯玉祥、王承斌、王怀庆、胡景翼、孙岳等。
冈野增次郎接到这些电报，立即往见吴的红人、总部政务处长白坚武，把电报给白看。当时情报非常混乱，谣言满天飞，所以白坚武见到这几份电报，颇为怀疑。他认为冯玉祥叛变是可能的，但是叛变的阵容如此大，而且这些人各有各的背景和打算，似乎不可能结合在一起，因此判断这些情报靠不住。白坚武的政治警觉性实在不够高，冈野见白坚持己见，所以也不和白争辩。
吴佩孚从战线上回到秦皇岛总部，冈野乃把这些电报呈请吴核阅，同时注明某电是日本公使馆所发，某电是北京日本守备队所发，某电是日本天津驻屯军司令部的公报，因此可靠性非常确实。
当时，北洋军阀多有日籍顾问，即以直奉二系而论，张作霖有日本顾问，吴佩孚也有日本顾问，直奉军虽然作战，顾问与顾问间有联系，顾问与日本公使馆和军方有联系，而日本公使馆又与各地的使馆有联系，这一来，日本人对中国各地以及大军阀动态均了若指掌。他们押注不在一方，敌对双方均有连络。其实张作霖也好，吴佩孚也好，民族观念均极强，不完全受日人挟持，可是日本人为了他的既得利益，必需和中国实力派有所勾结。
当吴佩孚看到冈野的电报，他立刻相信有这种可能，因为他对冯玉祥并不信任。据说，他当时对冈野和他的幕僚说：
“这件事也可以说是在我意料之中，因为这次出兵前老冯曾向我要求，待平定奉系后，派他为东三省巡阅使以继张作霖之缺，我告诉他：东北和日本有特殊关系，我们对日外交很微妙，所以东三省巡阅使的任命，不能漠视日本的动向。你一向被认为亲美派，最招日人之忌，因此去东北很不相宜，不过对酬答足下的战功，国家有的是名位，我一定会考虑其他职务的，而且必令你满意。我这番话也是腑肺之言，可能冯因未达目的，遂暗通敌人。其实他向我索军费，我已发十万，后来又增至十五万元，他才勉强奉命，率兵开赴古北口。很多人向我建议，免除冯的第三路军司令以除后患，总统居中替冯说情，免冯计划遂没有进行。当冯到古北口前线，又借口敌人优势，要求增拨步枪弹百万发，我对冯更不放心，所以不发给他。近数日我在总部中，晚晚不能入睡，辗转反侧，右转则思及处置张作霖之法，左转则念及冯玉祥之可能背叛，现在不幸而料中，想到当日拨冯战费十五万元，实在太划不来了。”
吴感喟地把冈野的三通电报扔在公案上，他当时还很镇静，要求大家对这个事变保守秘密，以免前线军心摇动。
这时吴的处境是屋漏更遭连夜雨，先一天日本天津驻屯军司令官吉冈显作曾发通告，不许直军总退却时使用秦皇岛码头，这个通告也在同时到达吴的手中，这是吴军退却唯一可用的码头，日本人则落井下石。
同一时间，奉军张宗昌的前锋是日人永骑兵少佐所率黑龙江骑兵大队已南下滦河流域，切断了直军后路。吴军腹背受敌，走海路又不能使用唯一的码头，情势真是危急万分。
25日晨，吴佩孚率领高级参谋人员赴九门口前线督战，过了中午回到总部，立即召集紧急军事会议于总司令室，各高级将领均出席，吴以沉痛的态度，宣布北京兵变及总部退却计划。
当天下午6时，先运兵3000南下，总司令部列车则于下午8时离秦皇岛。前线军事全部分为三大防御线，秦皇岛一线由张福来负责，昌黎一线由彭寿莘负责，滦州一线由靳云鹗负责。吴自己乘总部专车带了一团卫队，星夜疾驰南返。拖着沉重的心情和疲累的身体，一夜未眠。10月26日上午11时，列车到达天津。
直军在前线防御工事做得还不坏，有掩盖钢板为大炮不能攻毁之坚固战壕五道，可以坚守，至少可以挡住奉军一个时间。可是奉方把握机会发动心理战，派遣大批飞机在直军阵地空投传单，传单上是北京政变的消息，包括冯玉祥、孙岳、胡景翼的通电，要求停战和惩办战首。另一部分则是奉军劝降的消息，强调直军归路已断，主帅已逃，唯有投降才有生路。
直军战壕中遍处都是奉方的传单，直军半信半疑，军心为之摇动。
吴佩孚素所瞧不起的张宗昌，这时成为战场上的“骄儿”，他所率领的部队如果在今天，就很时髦了，可称之为“外籍兵团”，包括有已改入中国籍的白俄军，以及日本、朝鲜、法国军人，据说这些“洋兵”均曾参与欧战，精娴新式战术，善战而无军纪。张作霖把张宗昌放在最前线，本来是让他作炮灰，想不到却成全了他。他率领这支游杂军共16000人突破直军防线，26日吴佩孚率军回师后，张宗昌即击破直军董政国所率的第九、第二十两师，攻入冷口，27日张军入建昌营，和倒戈的直军胡景翼部联络，追董政国于滦州。10月27日张宗昌、胡景翼部占领滦州，把直军截成两段，一面南下和榆关奉军围迫秦皇岛及山海关的直军，另分兵追击董政国溃部之后而攻唐山。切断榆、津间交通，张福来败退。
与此同时，奉军吴光新部据海阳，炮击秦皇岛，张学良又从长城低处冲入，加上张宗昌部由滦州南下，直军便在奉军四面炮火包围中。
10月30日奉军三路攻占秦皇岛、山海关。直军一部乘轮回塘沽，二万余军被缴械。关外直军纷纷逃离战线，麇集车站，这时火车已不能开动，散兵逃向秦皇岛，秦皇岛已失陷，军械粮食遍地堆集，奉军一方面收缴直军军械，一方面清点战利品，收获极为丰硕。
10月31日，自山海关至唐山一带的直军已全失抵抗能力，奉军各路连接，大队长驱入关，以吴光新的骑兵为先锋，自古冶而芦台，向塘沽疾进，和在北京方面的冯玉祥、胡景翼军相呼应，直军几乎全部陷于奉军和冯、胡两军的大包围中。
11月4日奉军占领塘沽，吴佩孚已于先一天率残部乘舰驶离塘沽，这时直军抵抗已全部中止。5日张宗昌、吴光新两部先入天津，奉军大队亦纷纷抵达，在天津的直军残余部队全被缴械。第二次直奉战争遂告结束。
第二次直奉战争，由酝酿到接战到结束，前后两个月，直军败得太惨，这是吴佩孚做梦也想不到的。
第二次直奉战争，直军彻底垮台，当然致命的因素是由于冯玉祥、胡景翼和孙岳倒戈回师，吴军在前线不及回师，腹背受敌。可是直军也有许多不及奉军的地方，据参观山海关战线的外国军官的综合意见，认为：
（一）奉张作战纯采新式，吴佩孚则仍用旧式战法。
（二）后勤方面，奉军早有准备，粮草无缺，装备齐全；直军则临时采购，军费又极费周章。
（三）奉军迫击炮极多，用高弧线的瞄准法，成三角形而直入直军战壕。
（四）奉军所用飞机翱翔空中，均为新式，机枪和大炮均系新从俄、德两国购买，直军的武器则多系中国汉阳兵工厂所制。
（五）当直军败退时，吴佩孚所招募之少年军，竟在阵后掘小战壕，用炮轰击退却之直军，故直军伤亡极大。（六）奉军人人耐寒，棉衣被囊一应齐全，直军装备欠缺，且不能忍冻。
这些当然是从军事观点分析，不过吴佩孚本身也有招败之处：第一，吴虽然对政治有兴趣，但他并不懂政治，对外一味树敌，促成奉、皖、冯与西南的大联合。其实以他当时声望、名誉和力量，他可以和各方携手，同时也可以分化其他势力，为什么要驱迫这些力量集合在一块。在直系内部，他虽然代表正直的一面，可是太盛气凌人，促成高级干部离心离德。他常自比关羽，在缺乏政治手腕这方面他倒确是很像关羽。第二，这次对奉用兵，在战略上他也有错误。吴的特长是闪电战，后防空虚，胜则追奔逐北，败则退无所据。当曹打限时即刻到的电报命吴回师靖难时，吴因为前方战火正紧，胜败决于俄顷，不忍功亏一篑。他认为冯虽然倒戈，其他的人不致和冯一致，还想让孙岳等部先去挡一仗，同时急电鲁督郑士琦派兵应战，那知郑早与皖系通款，山东方面只有混成旅长潘鸿钧自动赴援，潘是吴的同乡，所以义不容辞，可是这点力量毫无帮助，结果全都被冯部包围缴械。
当时有倒吴不倒曹的口号，吴也微有所闻，他想曹锟是个老好先生，大概别人不会向曹下毒手。所以当曹一日数电，声嘶力竭地召唤他时，他还以为曹可以下令制止冯军异动。但当他证实冯与胡景翼、孙岳、王承斌等已联为一气，才仓皇回军，火车一夜疾驰七百里，赶返天津。留下前方军事交给有勇无谋的张福来。然而，这一切既太迟，又无壮士断腕的决心。
直军崩溃的时候，京津方面许多军政元老均纷纷奔走和平，希望地方不至于糜烂。如前国务总理张绍曾就是一个，他于冯玉祥有恩，又是吴佩孚的亲家，他出面可以两全，可是他的奔走毫无结果。北洋派元老王士珍和直隶道尹吴履观主张外交调停，于10月31日往访日本驻天津总领事吉田茂，转请日本政府向奉天交涉停战。吉田认为：
“目前战局甚紧，冯、胡军队南下在即，未知吴佩孚将军对此危机有无防御之策，这是本人所最关心的。至于调停两方战事，时间因素有问题，因为用电报连络，先要打电报到北京，由公使馆转东京，东京同意了再回电，往来费时不下三、四日，缓不济急，恐无补大局。我昨天曾和安福系领袖王揖唐商量，王主张吴佩孚能拥戴段祺瑞出山，以实力支持，解救目前局势。”
王士珍、吴履观对吉田的意见认为可以考虑，遂约第二天中午在天津日本租界敷岛亭再见，吉田表示分电北京、奉天及东京，进行调处停战，并约定11月2日下午5时拜访吴佩孚于天津站列车中