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1924年9月5日，孙中山移师北伐，为了配合卢永祥，准备攻取江西，孙中山密约冯玉祥、胡景翼、孙岳早日行动。因事前卢永祥、张作霖、孙中山倒直三角同盟约定共同出兵，齐卢之战爆发，张作霖的奉军分6军，即以姜登选为第一军司令，出兵山海关；李锦林为第二军司令，由锦县攻朝阳；张学良为第三军司令，出兵山海关；张作相为第四军司令，作援军；吴俊升为第五军司令，作援军；许兰洲为第六军司令，由开鲁攻赤峰。张作霖自任总司令。曹锟一日三惊，连连给吴佩孚发电报，又接连派出使者，恳求吴佩孚速速进京。
1924年9月17日，吴佩孚来到北京，曹锟在总统府设宴为吴佩孚洗尘。吴佩孚即席作诗：少年惜春华，胜日斗芳菲。来路作归程，风景仍依稀。周公徂山东，忧谗亦畏讥。军中名将老，江上昔人非。建树须及时，动静宜见机。何日摧狂虏，发扬见国威。不问个人瘦，惟期天下肥。曹锟请吴佩孚摄行陆海军大元帅职，吴佩孚便在中南海四照堂召集“讨逆军总司令部”军事会议。吴任讨逆军总司令王承斌为副总司令兼直省后方警备总司令。彭寿莘为第一军总司令，沿京奉铁路出发，对付山海关、九门口一线；王怀庆为第二军总司令，出喜峰口，趋平泉、朝阳；冯玉祥为第三军总司令，出北古口，趋赤峰；张福来为援军总司令，组织直、鲁、豫、鄂、陕、川等10路援军。吴佩孚表面上派冯玉祥担任这一路总司令，并说：此路非劲旅不克胜任，实际上是想置冯于死地。这一路不仅路途遥远，而且山脉横亘，道路崎岖，行军极困难，赤峰东北复有沙漠处，人烟稀少。北方气候寒冷，冯军只有单衣，吴又规定行军沿途，概不设兵站，粮秣饷项，统由各军随地筹办。冯部所经各地十分荒僻，往往百里之内不见人烟，根本谈不上就地筹粮，况且冯一向不愿搜刮地方。吴企图借刀杀人，即借奉军之手消灭冯军。万一不被奉军消灭，也将以战败的罪名惩办冯。吴佩孚令胡景翼率部跟随冯玉祥，并嘱咐道，如果冯有什么异动，就近解决。可吴哪想到，胡和冯已有密约。胡把吴的话原原本本地告诉了冯，更增加了冯倒戈的决心。吴佩孚倒是聪明反被聪明误了。冯玉祥在吴佩孚发布作战命令后，在北京城内布置倒直的军事内应，向曹锟建议：将王怀庆的13师开赴前线，孙岳的15混成旅调来拱卫首都。曹锟同意这一建议，即调孙率部到京，任命孙为北京警备副司令之职。冯向来主张兵贵神速，这次却迟迟按兵不动，经吴佩孚再三催促，才于9月21日开出先头部队。冯令部队每日行程二三十里，司令部也慢慢移动。冯的司令部到达古北口后，借筹措给养为名，停留下来。一面督饬沿途各县修路作回师准备，一面令鹿钟麟部每日从驻地向北京方向练习行军，或50里，或60里折回，其意图不仅是作为急行军回师的准备，而且使沿途人们对其行军动作习为常见，不至使尔后班师引起外间的注意。 直军第一二军同奉军作战，第二军总司令王怀庆是个庸懦腐朽之人。他采用旧式战法，即一个人扛着大旗前面开路，密集的大队形随大旗行动。奉军看到直军如此无能，非常高兴，立即拉开散兵线，一下子把王怀庆的13师的两个营包围起来，并迅速把他们消灭。王怀庆全军顿时溃不成军，败退下来。气得吴佩罕撤掉王怀庆的职务，急派亲信张福来赴前线接替。第一军总司令彭寿莘是直军中有名的勇将，但副总司令冯玉荣既无勇猛拼搏精神，又无随机应变之能力，他率部守九门口，奉军发动进攻之后，未交几合，即弃关后撤。奉军占领了九门口，西可攻下石门寨，南可威胁山海关正面阵地。
吴佩孚得知九门口失守，大惊失色，命彭寿莘立即将冯玉荣阵前正法。彭即率部阻冯败退。冯玉荣进退不得，遂服毒自杀。直军的阵脚已乱，彭告急的电报频频飞向北京。 吴佩孚于10月10日乘火车到前线督战，把总司令部放在秦皇岛。吴佩孚所到之处，奉军炮弹跟踪而至，因有人向奉军暗通消息。吴佩孚只好在火车上办公。 皖系领袖段祺瑞令国务院参议袁良带上他致黄郛的亲笔信，建议：“当吴佩孚到京之时，起而捕之，减少杀害无数生命。”又要求冯玉祥在行动上，宜早勿迟，迟了害处大，请黄善为指导之。 冯玉祥的指挥部到达古北口时，张作霖的代表马炳南又来见冯，递交了张作霖的信：“只要推翻曹、吴，奉方的目的即达到，决不再向关内进兵。”冯同马炳南约定，如果两军相遇，均应向天空鸣枪。
冯玉祥从古北进抵滦平后，派刘治洲等人到通州与胡景翼秘密联系，要胡暂缓开拔，并商讨班师日期。刘治州又与段祺瑞接洽合作办法，段说已同山西的阎锡山、山东的郑士琦接洽妥当，届时定能采取一致行动。吴佩孚又加派副总司令王承斌督促冯部向赤峰前进。王承斌原是23师师长，善于打仗，但吴佩孚认为他是奉天人，总怀疑他与张作霖有联系，处处防备他，先是撤掉了23师师长职务，因王是亲曹锟派，后来虽任命为讨逆军副总司令，并没有实权。冯知道王对吴心怀怨恨，故将倒直的计划告诉了他。王表示同情，但既不参与冯的行动，又不向吴告密。张作霖因与冯有协议，即将进攻赤峰方面的兵力抽出大部移到山海关方面作战，从而加重了对吴佩孚亲自统率的直军第一军的压力，吴佩孚十分气愤，被迫抽出3个师的兵力到赤峰方面作战，但尚未到达地点，北京发生了政变，3个师被奉军收编。冯玉祥早已布置留守北京的蒋鸿遇向总统府及有关方面搜集吴佩孚的情报，以便及时报告。总统府内的机要人员，有许多人与冯取得联系，暗通消息。
冯得知吴在前线失利的消息后，为进一步证实，给吴发去电报，探询山海关战况。吴的参谋长张方严复电：“此间形势危急，不有意外胜利，恐难挽回颓势。”冯又接到蒋鸿遇的电报：“前方战事紧急，吴已将长辛店、丰台一带所驻之第3师悉数调往前线增援。”第3师是吴的看家兵力。蒋鸿遇曾告诉冯，一定要等吴的精锐部队第3师从丰台调赴由海关前线，班师回京的时机才算成熟。冯为了慎重起见，密派刘之龙返京，和黄郛商量。冯曾给黄郛密电码一册，与黄约定互通消息，来往密电由黄夫人亲译。虽然通电频繁，外人却无法察觉。黄以亲笔复信托刘带给冯，并致电冯：“立志救国，在此一举。”冯玉祥遂于10月19日召集张之江、鹿钟麟、李鸣钟、刘郁芬、刘骥、熊斌等举行紧急秘密军事会议，胡景翼的代表邓宝珊也赶来参加会议。冯试探了将领们的意向，然后郑重宣布班师回京和政变计划，将领们表示一致拥护。会议规定队伍总称为国民军。因为北京政变迎孙中山北上，拥护孙中山主义，孙中山所领导的党叫国民党，冯玉祥也把自己的部队改名为国民军。
冯玉祥命令胡景翼率领开赴喜峰口及通县的部队，星夜南下，攻占京奉路之军粮城、滦州一带，截断京汉路直军之联络，并防阻吴佩孚西归；命鹿钟麟率部兼程返京，会同孙良诚、张维玺两旅开往北苑，再与蒋鸿遇旅会同入城；命李鸣钟率兵一旅直趋长辛店，截断京汉、京奉两路交通；命已抵承德的张之江、宋哲元两旅，限日班师。通知孙岳秘密监视曹锟的卫队及吴佩孚的留守部队，以防意外。同时又下令封锁京热大道，扣留有关人员，以防走漏消息。冯玉祥动员之后，部队开始行动，徒步以每日行程200里左右的速度返回北京，3日内行程六七百里，先头部队的营幕和炊具均留置沿途不动，以便后续部队到达时缩短吃饭和休息的时间，因此，数万之众，一路行来，状如流水。鹿钟麟首先于22日到达北苑。鹿与蒋鸿遇会商后，即将各部队分配战斗任务，先派兵一团以接运给养为名，押大车数百辆鱼贯入城，所有武器皆藏在大车内，当晚8时由北苑出发，12时抵安定门。孙岳早已接到通知，即令徐永昌城防军守城门卫兵大开城门，迎入城内。
鹿钟麟首先指挥部队接收了全城的防务，又把全城电话线割断，封锁曹锟与外界的联络。城内各重要交通路口均用大车加以封锁，总统府卫队由孙岳派兵包围缴械，另由鹿派兵一营守卫总统府。曹锟被监视在中南海延庆楼内，不准与外间接触。鹿钟麟的指挥部设在太庙，一切急需做的事情都在一夜之中办好了。次日早晨，北京全城贴满国民军的安民布告，主要街道上布满了国民军岗哨，站岗的士兵臂上缠着“誓死救国，不扰民，真爱民”的白色袖章。次日，冯玉祥来到北苑，发出主和通电，提出反战主和，一切政治善后问题请全国贤达商补救之方，开更新之局。同时，冯部国民军颁布文告，指责吴佩孚不顾人民的痛苦，兴无名之师为孤注之掷。又宣布，首都重地，使馆林立，商务云集，国民军将负责维持地方秩序，保护外人之生命财产。冯玉祥邀集胡景翼、孙岳、王承斌、王芝祥、鹿钟麟、刘骥、张之江等在北苑开会商议正式改组军队的事宜。会上推冯为中华民国国民军总司令兼第1军军长，胡、孙二人为副司令，分别任第2第3军军长，还决定成立摄政内阁。曹锟贿选祸国，强令曹锟下令停战，免除吴佩孚本兼各职，曹本人自动退位。会后，冯玉祥等通电全国，并公布《建国大纲》。
冯玉祥于10月23日下令逮捕原财政总长王克敏和总统府收支处长李彦青等贪官污吏。王闻讯逃入租界，李拒绝交出赃款，遂被枪决，对此人们拍手称快。随后，冯又将大贪污犯曹锟之弟曹锐押解到案，令曹锐交出赃款，曹锐畏罪吞服鸦片自杀。冯玉祥又接受张绍曾的建议，成立以黄郛为首的摄政内阁。总统和总理的职权，由黄郛一人兼任，黄还兼任交通、教育两部总长，王正廷兼任外交、败政两部总长，王永江为内务总长，李书城为陆军总长，张耀曾为司法总长，杜锡圭为海军总长，王乃斌为农商总长。黄郛、王正廷都是冯军回师举行政变的内幕人物，因此，这个内阁是以冯系为核心。11月2日，王承斌到公府劝曹锟辞职，曹即向国会提出辞职咨文，并令内阁摄行总统职权。曹锟看到前来逼他下台的人，就是一年前劫车夺印捧他上台的王承斌，不由得百感交集，十分难受。吴佩孚接到冯玉祥的10月23日通电，虽然大吃一惊，但又疑心是张作霖捏造出来的假电报。他查明属实后，又怀疑胡景翼未必加入冯军，即命胡为第三军总司令以代冯，叫张敬尧去胡部传达命令。胡把这个倒霉使者扣留起来。一切真相大白，吴佩孚才心慌意乱地把前方作战的任务交给张福来主持，自己率领精兵七八千人回救北京。吴急电南方直系将领率兵北援，不料京汉、津浦两线受阻，无法应援。
冯玉祥、胡景翼的军队已开到廊坊，准备进攻天津。张绍曾为避免战祸，出面调停，劝吴佩孚接受“和平救国大纲”。吴的态度仍然十分倔强，不肯罢休。双方军队在杨村一带开战。此时阴雨连绵，杨村一带除铁路两旁及永定河堤等高地外，尽是一片汪洋，作战十分艰难。开战后，双方相持一天，不分胜负。冯派刘郁芬、蒋鸿遇两旅，迂回到吴军后方，从吴军背后进攻，又派李鸣钟由丰台抽调部队，协助正面进攻。张之江、石友三、谷良友部，协助李云龙旅，一致向吴军摆出攻势。此战生俘了吴部的旅长潘鸿钧以下数千人并乘胜进击。11月3日上午，冯军占领了津浦铁路沿线的天津附近的北仓，随后占领天津。国民军攻占天津后，吴佩孚仍作困兽之斗，把司令部移驻军粮城。胡景翼军如果向前推进，和奉军两头一挤，吴佩孚即无处可逃。但冯玉祥、胡景翼接受了张绍曾的劝告，给吴佩孚放一条生路。吴军残部在军粮城两头被包围。吴看到只有从海上逃跑一条路，大哭一场，在英国军舰掩护下，由大沽乘海军运输舰南逃。经上海转武汉，后又回到河南重整旗鼓。但吴从此元气大伤，未能再抖起昔日的“威风”。冯玉祥一贯痛恨封建帝制，北京政变后，决心以全力，行其素志，把溥仪逐出宫去。11月5日，摄政内阁作出修正优待清室条件，永远废除皇帝专号，将故宫一律开放，备充国立图书馆、博物馆之用。冯玉祥当天就令北京警备总司令鹿钟麟和警察总监张璧执行，将宫内太监470余人、宫女百余人分别给资遣散，又用汽车5辆，送溥仪及清室“后妃”移居什刹海“醇王府”。11月29日