在京津地區與奉軍的作戰取得決定性勝利後，命暫編第1師師長彭壽莘率部近6萬人，
跟蹤追擊奉軍至山海關地區，企圖進軍東北。
奉軍張學良部3萬餘人，防守山海關一線，臨山據險修築工事。
奉軍將大炮、機槍等重武器隱蔽在山上鑿溝之中；鑿溝之前為戰壕，步兵隱蔽其中；
戰壕前設木尖樁子與電網，電網之前又設雷區。6月10日凌晨4時，直軍向山海關奉軍陣地發起攻擊，
未能攻破奉軍陣地。9時，奉軍組織敢死隊向直軍發起反衝鋒，直軍被迫後撤。
至下午6時，奉軍反攻的部隊被直軍擊退。6月11日起，
奉軍繼續居高臨下進行全線反攻，直軍堅守陣地，屢次擊退奉軍的反攻。
至6月18日，雙方相互衝擊數十次均無重大進展。直軍傷亡4000餘人。
6月19日，雙方停戰議和。
在東線，交戰之初，奉軍一度掌握主動，但在西線奉軍潰退後，
東路奉軍第一梯隊的旅長鮑德山不聽指揮，按兵不動，
總司令張作相只好指揮部隊全線退卻。第二梯隊司令張學良所部戰鬥力較強，
吳佩孚在西線取得勝利後，立即調其嫡系部隊第3、第26師到東線，
並親自指揮部隊攻擊張學良部。
第三梯隊司令李景林指揮所部在姚馬渡將直軍的進攻擊退，俘虜直軍千餘人。
但當西線戰敗的消息傳來後，東線部隊的軍心為之動搖。直軍乘勢全線出擊，
進攻奉軍第三梯隊司令部駐地馬廠，殲滅奉軍7000餘人，迫使奉軍放棄楊柳青，退守北倉。
奉軍在軍糧城又與乘火車開來的2萬餘直軍發生激烈戰鬥。
因眾寡懸殊，奉軍被迫退往灤州。至此，奉軍在東、西兩線均已告失敗。
士兵犧牲2萬，戰敗逃亡者萬餘，被俘者4萬餘人。
直系王承斌部率其第23師開進天津
時，經灤州英國領事出面調停，以奉軍退回關外，
直軍停止追擊為雙方停戰議和條件。
直、奉雙方代表在停泊於秦皇島海面的英國「克爾留」號軍艦上簽訂停戰條約：
以榆關（今山海關）為兩軍分界線，奉軍撤出關外；直軍除酌留一部分駐防榆關外，
大部撤回原防地。至此第一次直奉戰爭結束。
這次戰爭，先後持續兩個月，但真正大規模戰鬥只有6天（4月29日至5月4日）。
戰爭結束後，直系掌握了北平政府的控制權。
