当时，三方议定的作战计划是：直军和奉军分别由京汉、京奉两路进军，直攻京津；晋军则从大同方面进攻察绥一带的国民军；交战双方的主战场则在南口；吴佩孚出任总司令。
南口位于居庸关与昌平县之间，是西山山脉最险要之处，万山叠峰，山道崎岖，实为天设之险，久为兵家必争之地。
吴佩孚把进攻南口的任务交给了田维勤，并悄悄告诉田维勤。如果攻下南口，即以察哈尔都统相酬。这就犯了政治上的大忌，因为察哈尔和绥远是奉张的禁脔，所以奉张袖手旁观，按兵不动，大有黄鹤楼冷眼坐看翻船之架势。
殊料，田部也太不争气，今天哗变一团，明天哗变一旅，且久攻无功；而死守南口的国民军却越战越勇，吴大帅常胜将军的威风竟扫地以尽。
面对窘境，田维勤也学会了寇英杰打假捷电的方法，报捷电十有九次谬误，吴佩孚气得暴跳如雷。然而，不如意的事又接踵而至：南口久攻不下，湖南方面同北伐军作战的告急电雪片似的一日数至。吴佩孚虽然咬紧牙关宣称南口一日不下，则本总司令一日不南返，但在久战无功、后方又起火的情况下，不得已把主攻南口的任务让给了奉军和直鲁联军。
同时，张作霖命令吴俊升、汤玉麟以六师之众进攻多伦；吴佩孚命令刘镇华围攻西安；张兆钾、孔繁锦则奉令进攻兰州，以牵制国民军，并派飞机向张家门散发传单，以瓦解国民军的士气。
八月一日,南口正面奉军发起总攻。主攻的猛烈炮火惊天动地，连北京城内都能听得到。奉军所有步兵精锐和全部炮兵铺天盖地，倾巢而出。但南口前线万众一心，誓死抵御，虽伤亡枕藉，但锐气不为稍挫，战役之激烈程度，为中国有史以来所鲜见。
我跟你讲，我们打南口，跟冯玉祥的国民军打仗，那南口守得最厉害。我们有两个炮团，七十二门野炮，最少也打了五六万发炮弹。这个炮弹虽与外国的炮弹不一样，没有那么好，可毕竟也是炮弹啊！
七日，奉军全线发起猛攻，左右翼进抵山根南口正面，距国民军仅有里许，但一时竟未能攻克。右翼系奉军第四混成旅，这时悄悄迂回虎峪山村后方；左翼系联军第十一旅，已达山根，迂回绕攻南口之右侧。张学良八日夜返京，九日再赴前线督战。张宗昌亦率卫队前赴昌平厮杀。
张学良（左一）与褚玉璞（右三）在源州城外指挥奉军攻城
就在南口正面阵地血腥厮杀之际，吴俊升和汤玉麟分两路大举进攻沽源、独石口。攻击中，奉军重迫击炮频频发炮，一鼓作气冲进了国民军阵地，奉军指挥部抓住这个机会，立即下令实行全线总反攻。经过一天激战，终将宋哲元军全部击溃。
在国民军的溃败声中，冯玉祥自莫斯科启程返国。此时，冯玉祥在莫斯科已加入了国民党，冯玉祥的国民军也随即加入了北伐军，冯玉祥重新统领西北军，准备策应北伐军北上。
南口战役结束后，吴佩孚以主帅资格论功行赏。结果，张学良被加封为良威将军及陆军上将衔，张宗昌被授为义威上将军。不料，吴佩孚的“好意”却碰了一个钉子：张学良首先来电坚辞；张宗昌及其他奉军、直鲁联军将领亦表示不受吴的举荐，并回电说：“本军系奉上将军命令，叙勋授爵应由上将军查明具报办理。”
张作霖是上将军，张宗昌在奉军中处于养子地位，吴佩孚荐张宗昌为上将军，张学良予以拒绝，当然是做给张作霖看的。
就在各路军阀南口血腥厮杀之际，一九二六年七月，国民革命军广州誓师北伐，兵锋所向，直指湘赣，吴佩孚、孙传芳连连败绩，新的战火又重新点燃。
