透過。隨後，又假借“護橋”、“換防”的名義，從日本國內和朝鮮緊急調入兩個師團，分駐馬三家、塔灣、皇姑屯一帶，拱衛奉天，一旦奉軍危急，便可出動。

日本人的干涉使張作霖有了喘息之機，他迅速將殘餘的部隊進行整編，任命張學良為前線總指揮，並在巨流河東岸佈防。張作霖此時在巨流河的兵力約有六、七萬人，而且有優勢的騎兵。炮兵雖不及郭軍，但使用的多數是由奉天兵工廠運來的新炮和日本重炮。而且，由日本人親自指揮和操縱這些炮隊，彈藥也由日本人提供。

由於日軍的干涉，郭軍原計劃南北夾擊奉天不能實施，只得在巨流河一線正面與奉軍作戰。

當天段祺瑞的特使終於見到了已經將日本商人徹底擊倒的劉銘九，以戰後允許魯北包括登州、萊州、淄博、濰坊在內的地區為毅軍自治地區為條件，換取了劉銘九一個不再讓毅軍在此時反日的承諾。

段祺瑞以為他是佔了次便宜，總算在日本人面前有了點資本。實際上他怎麼知道，劉銘九其實真正的目的就是給毅軍要出一塊地盤來，發展石油和相關工業。養精蓄銳、積累資本才是劉銘九和整個毅軍此時真的目的。段祺瑞不知道。日本人和張作霖自然也更想不到。當張作霖接到段祺瑞的電報後，還真以為他那個乾兒子是賣了他一個面子，而出面阻止他的那些老部下繼續幹涉呢。

12月20日，郭軍奪取遼河西岸軍事重地新民，奉軍無險可守，郭軍進逼奉天。21日，郭松齡部隊與張學良部隔著巨流河決戰。張學良看著湍湍的巨流河，感慨萬端：“這好像是命中註定，以前在講武堂時，郭松齡與學良在此演習過，這裡的地形，我們雙方都很熟悉，就讓老師跟學生在此比比高低吧！”

12月22日，受寒冷、缺糧、缺彈藥困擾的郭松齡不待主力集中便發出總攻擊命令。郭軍對興隆店奉軍司令部形成包圍之勢，但最終因劉文清旅彈藥供應不上轉勝為敗。接著，吳俊升率黑龍江騎兵殺到，炸燬了郭軍在白旗堡的彈藥庫。郭軍遭此嚴重打擊，士氣低落，士兵中流傳：“吃張家，穿張家，跟著郭鬼子造反真是冤家”。

張學良乘勢加緊策反工作，親自給郭軍軍官打電話，講明形勢，表示既往不咎，致使郭軍全線震動。早已離心的郭軍參謀長鄒作華透過日本駐新民領事分館與張學良通了電話，表示不再為郭松齡作戰。

12月23日夜，郭松齡召開軍事會議商議策略。將領們的態度很不統一。鄒作華、高紀毅等將領極力主張“停戰議和”，而霽雲、劉偉、範浦江等人積極主戰。在此情況下，郭松齡仍決定和奉軍決一死戰。　24日拂曉，郭松齡“親立陣頭督師”。然而，令郭松齡沒有料到的是，他的兵也是張學良的兵，張學良用飛機撒下的傳單“老張家人不打老張家”極大地渙散了郭的軍心，士兵開始紛紛投誠。給郭致命一擊的是，鄒作華“突然將所部炮兵旅撤回，並停止前線子彈供應，郭軍遂大潰”。

郭松齡見大勢已去，於是在12月24日晨攜夫人韓淑秀及幕僚數人以及200多名衛隊出走。臨行前，郭委託霽雲軍長收容餘部，向溝幫子、錦州方向轉移。

在巨流河戰役中，奉軍在防守配備上，張學良與韓麟春曾有不同意見。韓麟春主張加強側翼防禦，以防郭松齡偷襲。張學良深知郭松齡其人，堅持認為：“郭茂宸是個寧折不彎的人，他一定哪硬往哪打，我們只要把正面工事做好，頂住郭軍的進攻。再加上宣傳攻勢就一定可以取得勝利”。果不出所料，張學良的有針對性部署和攻心戰術打敗了老師郭松齡。

鄒作華見郭松齡已走，下令各軍停止進攻，發急電給張作霖，報告郭出走情形。同時又給張學良打電話報告：“茂宸已出走，部下已放下武器。現在已控制一切，請軍團長放心。”至此，郭松齡反奉歷經一個多月以失敗而告終。

兵敗後的郭松齡率機要人員和衛隊離開新民，向錦州方向撤退。與之同行的夫人韓淑秀顧及到郭松齡的安全，勸郭松齡率衛隊騎馬先行，儘快離開險地。但郭松齡念及韓淑秀不會騎馬，不想扔下患難與共的夫人，就放棄了騎馬。

郭松齡等人化裝成農民坐著騾車，走出新民縣約20裡，遭到奉軍王永清騎兵旅的追擊，衛隊戰敗，郭松齡夫婦藏在農家的菜窖內被搜捕出來。　24日下午，王永清將逮捕郭的訊息報告給騎兵旅長穆春，並將郭氏夫婦押解到老達房燒鍋院內，等待奉天的命令。張作霖聽到訊息後，欣喜若狂，在電話中向穆春說：“把郭鬼子給我送奉天來，我要親自槍斃他。”放下電話後，想了想，又把電