由於投入巨大、經營得法，軍工生產製造能力有了很大提高。槍彈廠的生產能力，大概分為三個時期：第一期1920年4月至1923年12月，六五、七九步槍彈由日產1萬發，擴充到10萬發。第二期1924年日產15萬發。第三期1925年至1931年九一八事變止，日產30萬發。第二期比第一期年產300萬發，增長15倍。第三期年產9000萬發，多時達到1億粒，比第一期增長30倍。其他各廠也都有較大發展。每年生產的大炮150門，炮彈二十餘萬發。步槍六萬餘支，槍彈1億粒，輕重機槍1000挺。
東三省兵工廠的擴建和發展，為張作霖進入關內、問鼎中原打下了軍事物質基礎。
為了提高奉軍立體作戰的能力，張作霖把目光指向了空軍。他深知，在現代戰爭中，陸軍沒有空軍的支持，是很難取勝的。尤其是在第一次世界大戰中，空軍在戰鬥中低空對地掃射和投彈轟炸，所起到的殲滅敵人和擾亂軍心的巨大作用，給張作霖留下了深刻印象。第一次直奉戰爭，由於直軍有幾架飛機壓迫西線張景惠部，低飛拋彈，狂轟濫炸，使奉軍西線頃刻土崩瓦解。這給奉軍造成了極大的心理傷害。這個慘痛教訓，使張作霖下定決心，要建立一支獨立的空軍和海軍。
中國開始建立空軍是在1912年前後。當時的陸軍總長段祺瑞，在留法回國的航空員姚錫九的建議下，向英國購買了一批飛機。1917年使用這批飛機，參加了討伐張勳復辟軍的戰鬥，空襲過復辟軍占領的北京，轟炸過紫禁城。1920年，直皖戰後，因為奉系派兵支持了直系，張作霖分得戰敗了的皖系段祺瑞的一批飛機。這是張作霖夢寐以求的。這批飛機有旅客運輸機4架，偵察教練機4架。同時，跟來航空人員姚錫九和王立序等專家。後來，張學良又從大沽造船廠等地調來技工趙鴻起等22人。有了這些，就為建立東北航空軍提供了有利的前提。
1921年1月，張作霖下令設置東三省航空處，並派其參謀長喬賡云為處長，趙延緒、章斌為正副主任。此外，還委派了副官、軍需官、軍醫官、書記官、工廠管理員、技工、班長等若干幹部，分別掌握航空處各項事務。在瀋陽東塔農業實驗場曠地修建飛機場，又建廠房，蓋倉庫，造宿舍，築辦公室。以章斌、莊以臨等為飛行骨幹，以孔家桂、趙鴻起等為機械士，組建航空隊。這樣，就有了東北航空軍的雛形。
1922年奉軍在第一次直奉戰爭中失利。據認為，「此次戰敗原因之一是直系的空軍占了優勢」。在西線，直軍利用其航空優勢，派飛機在長辛店投擲重磅炸彈，奉軍招架不住。奉軍前敵總指揮張景惠首先退卻，引起奉軍全線崩潰。這次慘敗，對張作霖是刻骨銘心的。張作霖更加深刻地認識到建立自己的空軍的必要性。這一次中國最早使用飛機作戰奉軍失敗的情景，是張作霖永生難忘的。
為此，1923年9月，張作霖任命張學良為東三省航空處總辦，以加快東北航空軍的建設步伐。值得一提的是，張學良在1923年間學習了航空駕駛，很快就掌握了這個技術。他很喜愛飛行，航空員都很欽佩他。
在第二次直奉戰爭中，奉軍取得了勝利，東北空軍在戰鬥中發揮了作用。張作霖感到東北空軍要加以整編，擴充實力。為此，張學良進行了機構改革。於1925年將東三省航空處改組為東北航空處，設立總務、機械兩處，分掌事務和機務。以高紀毅為總務處長，周培炳為機械處長。同年3月，附設航空學校，由張學良兼任校長。教官有北京南苑航空學校畢業的趙延緒、王立序等，還有法國退役飛行員博賴等十餘人。至此，東北的航空軍包括多架飛機、正規機場、維修工廠、機械設備、航空人員、地勤人員、機器人員，以及訓練機構等，才粗具規模。
對航空員的培養，張作霖煞費苦心。第一批自己培養的航空員，基本不合格。第二批從陸軍中選送到法國留學的12名航空員，也不理想。接受這兩次教訓，第三次選派留學的航空員就非常嚴格了。1925年，張學良在東北軍官訓練班的一千餘名學員中，親自挑選了28名學員。他們的特點是，品德好，年齡小，體格壯。一般是20歲左右，最小的僅17歲。這次送往法國留學的共35名。除28名學飛行的航空員外，還有學習其他學科的。
