张作霖父子统治东北近20年，其军队由清末巡防营逐步展到统治东北，以至几次入关，势力伸展到长江流域，将苏、皖、直、鲁以及热、察、绥等省份都囊其所有，成为盛极一时的大军事集团。其陆、海、空军变革情况分述如下。
一、奉军的形成与发展
奉军的基础系原清末巡防营。辛亥革命后，奉天地方军有巡防营32个，吉林有巡防营12个，黑龙江有巡防营9个。奉天巡防营分中、前、左、右、后5路。时张作霖为中、前2路巡防统领。
1912年北京政府将奉天中、前2路巡防改编为陆军第二十七师，张作霖任师长；左路巡防改编为第二十八师，冯德麟为师长；后由后路巡防抽出一部编为陆军骑兵第二旅，以吴俊升为旅长，仍兼后路巡防统领。右路巡防未变。
吉林驻军第二十三镇，于1912年10月改称第二十三师，仍以孟恩远为师长。1913年1月将吉林巡防营改编为吉林第一混成旅，以裴其勋为旅长。1915年7月又将吉林第二十三师改为吉林陆军第二、第三混成旅，以高士傧、徐世扬为旅长。并增设吉长、延晖、宁阿3镇守使，由裴其勋、高士傧、徐世扬分别兼任镇守使。
驻黑龙江之第一混成协，于1912年10月称陆军第一混成旅，朱庆澜为旅长。1914年7月以原有军队与巡防营改编为黑龙江陆军第一师，以许兰洲为师长。另编成陆军骑兵第四旅，以英顺为旅长。
1912 年7月，东三省总督赵尔巽改任奉天都督 (不兼辖吉、黑两省)。11月赵尔巽辞职，张锡銮为奉天都督。1913年6月，孟恩远为吉林护军使。1912年黑龙江都督宋小濂辞职，由周树模继任。1913年7月周树模辞职，毕桂芳代理黑龙江都督。9月朱庆澜为黑龙江护军使。
1915年8月，袁世凯任命段芝贵为镇安上将军督理奉天军务兼节制吉、黑两省军务，并任孟恩远为镇安右将军，朱庆澜为镇安左将军。云南起义反袁，段芝贵被迫离职。1916年4月袁世凯任命张作霖为盛武将军督理奉天军务，以冯德麟为帮办军务。
1916年6月袁死。7月黎元洪任总统，任张作霖为奉天督军。自1916年初至1917年7月，黑龙江陆军第一师师长许兰洲逼迫朱庆澜、毕桂芳先后去任。英顺、巴英额2个旅长又通电攻击许兰洲。张作霖乘机推荐鲍贵卿为黑龙江督军，许兰洲离黑他去。鲍将黑龙江军队改编为黑龙江陆军第一、第二混成旅，由李庆禄、张明九分任旅长。另编成骑兵第一、第二旅2个旅，以袁庆恩、张奎武分任旅长。
1917年6月，第二十八师师长冯德麟因赴北平参加张勋复辟被免职，张作霖兼任第二十八师师长。原由张所任第二十七师师长，由该师第五十四旅旅长孙烈臣升任。8月张作霖将骑兵第二旅与后路巡防合编为陆军第二十九师，以吴俊升为师长。10月调察哈尔都统为吉林督军，而吉林军官通电挽留孟恩远，张仍令孟恩远为吉林督军。11 月张辞第二十八师师长职，由该师旅长汲金纯升充。
1918年2月，张作霖接受徐树铮的意见，在秦皇岛截留北京政府在日本所购枪械，增编奉天第一、第二混成旅，以阚朝玺、郑荣远为旅长。又成立奉天暂编第一师，以第二十七师第五十三旅旅长张景惠升任师长，邹芬、梁朝栋为旅长。后又增编奉天第四、第五旅2个混成旅，以齐恩铭、蔡平本分任旅长。张作霖自任奉天总司令，徐树铮为副总司令，杨宇霆为参谋长，率奉天第一师及第一、第二2个混成旅入关，助段祺瑞攻湖南、援陕西。后停战，张景惠之第一师留驻北京南苑，许兰洲师调回天津。1918年底，张作霖免徐树铮、杨宇霆职，以孙烈臣为奉军副总司令。1919年7月，孙烈臣调任黑龙江督军，张景惠任副总司令。
1918年5月，吉林、黑龙江两省因段祺瑞政府和日本防敌协定签约，出兵西伯利亚，干涉俄国革命，争相扩编军队。6月吉林增编第四混成旅。10 月，又增编暂编第一师，以高士傧为师长。是年3月黑龙江成立陆军第十九混成旅，鲍贵卿自兼旅长，后又由张焕相任旅长。9月，张作霖升任东三省巡阅使。
1919年7月，中日在吉林二道沟发生冲突，张作霖调鲍贵卿代孟恩远为吉林督军，以第二十七师师长孙烈臣为黑龙江督军，吉林暂编第一师师长高士傧因拥孟恩远被免职，将该师合并为吉林陆军第六混成旅，调第二十八师第五十六旅旅长郭瀛洲为旅长。1921年3月，鲍贵卿辞职，孙烈臣调任吉林督军兼省长第二十九师师长吴俊升任黑龙江督军兼省长。至此，东三省军政大权均为张作霖掌握。
1920年直皖战争后，奉天即增编第六、第七混成旅，以鲍德山、李景林为旅长。同时将卫队旅改编为奉天第三混成旅，以张学良为旅长。
1921年5月，张作霖兼蒙疆经略使，计划征蒙，东三省为此增编军队。奉天增编第八、第九、第十混成旅，以郭松龄、牛永福、赵恩臻分任旅长。又将右路巡防改编第十一混成旅，以汤玉麟任旅长。吉林增编第五、第七混成旅，以蔡永镇、李桂林分任旅长。黑龙江增编第三、第四混成旅，以巴英顿、张海鹏分任旅长。1920年9月张景惠为察哈尔都统，仍兼奉天陆军第一师师长。另以该师旅长邹芬代王廷桢为陆军第十六师师长，陈锡武为察哈尔骑兵第一旅旅长。1921年9月汲金纯为热河都统，率第二十八师进驻承德。此时，奉军拥有东三省和热、察两特别区，兵力有5个师、23个混成旅、3个骑兵旅。
1922年4月直奉战争起，奉军以张作霖为镇威军总司令，孙烈臣为副总司令，杨宇霆为参谋长。总部进驻军粮城，兵分东西2路军，东路自津浦、京奉路之间，西路由北京沿京汉路，分别向直军进攻。5月17日，张作霖被免去东三省阅使及蒙疆经略使职。6月奉军战败，退至关外。6月20日，东三省议会联合会复推举张作霖为东三省保安总司令，孙烈臣为副总司令。此战，奉军第十六师和奉天暂编第一师被直军缴械，第二、第六、第九混成旅溃不成军，第二十八师被迫撤出热河。
张作霖由于战败，决心彻底改革，整军治武。他采取了如下措施：第一，整理陆军。成立东三省陆军整理处，派孙烈臣为统监，张作相、姜登选为副监，张学良为参谋长，负整编训练之责。吴俊升、张作相仍兼任师长，李景林则升任奉天陆军暂编第一师师长。将所有部队整编为东三省陆军27个旅、骑兵5个旅，每旅3个团，师、旅所属各团均按统一的番号编序。第二，建立海、空军。第三，扩充兵工厂。1924年4月，吉林督军孙烈臣病故，张作相升任吉林督军，张学良为第二十七师师长。
1924年9月爆发第二次直奉战争，张作霖仍将奉军名为镇威军，自任总司令，辖6个军，入山海关向北京进攻。10月24日因冯玉祥发动北京政变，曹银被幽禁，直军大败，奉军获大胜。
1924年12月10日，段祺瑞裁撤各省巡阅使。张作霖自请解除后，仍节制指挥东三省军政。段执政令张作霖督办奉天军务善后事宜，张作相、吴俊升督办吉林、黑龙江军务善后事宜。11日又任命李景林督办直隶军务善后事宜，阚朝玺为热河都统。1925年1月7日又任张作霖督办东北边防屯垦事宜。又以张宗昌为苏皖宣抚第一军军长、韩麟春为苏皖宣抚第二军军长（未成立），归苏皖宣抚使卢永祥指挥。进军江苏击败齐燮元后，又任命张宗昌为苏皖鲁剿匪总司令。4月24日任张宗昌督办山东军务善后事宜，姜登选为苏皖鲁剿匪总司令。8月29日任命杨宇霆、姜登选督办江苏、安徽军务善后事宜。自此，北起东北、南迄苏皖均为奉军范围。
第二次直奉战争后，奉军的兵力，从五个方面可看出明显增加。第一为李景林部。李任直隶督办，除原属暂编奉天陆军第一师外，同时增编直隶陆军第一、第二、第三、第四、第五混成旅，以王丕焕、马瑞云、张宪、胡毓坤、朱益清为旅长。原属第一师之邢士廉旅调江苏，又增编 2个旅，后编为第十九师。
第二为张宗昌部。张原为第三旅旅长，攻下凌源后张即升为奉天暂编陆军第二师师长。入关后，收编直军为东北陆军第二十八、第二十九、第三十一、第三十二旅等4个旅，加原有第三旅，是时该师辖5个旅。张宗昌任山东军务善后督办后，又收编驻山东陆军第五师和第二十、第四十七混成旅为己有。
第三为张学良部。第一、第三军联军攻下秦皇岛，所降直军及热河降军共5万余人，张将其收编为6个旅，连同原有部队编为陆军6个师及骑兵2个师、炮兵2个旅，特设京榆驻军司令部，张学良为司令，郭松龄为副司令。
第四为驻江苏部队。张宗昌所属王栋第三十一旅，归张宗昌指挥之蔡平本第二十五旅，邢士廉第二十四旅，仍留驻镇江、南京、上海等地。张作霖将蔡旅扩编为第八师，邢旅扩编为第二十师，归江苏督办杨宇霆指挥。
第五为驻东三省、热河部队，人数亦有增加。1925年4月张作霖将其势力范围内之部队重作整理，编成20个师。
1925年11月23日，郭松龄将其所部改编为东北国民军倒戈反奉。12月失败，除魏益三率一部改编为国民军外，余部仍为张学良统领。1926年1月，奉军决定对冯玉祥作战。3月29日，张作霖以褚玉璞为直隶督办，汤玉麟为热河都统，李景林、张宗昌、张学良、韩麟春分任镇威军第一、第二、第三、第四方面军军团长，分3路向北京进攻。于4月18日占领北京，8月14日攻占南口，西北军退驻绥远。1927年1月，东北军占领绥远，以高维岳为察哈尔都统。因李景林在郭松龄倒戈中同冯玉祥一道支持郭松龄，于6月被免职，所部整编为第十七军，由荣臻任军长，胡毓坤任副军长，隶属于第三方面军。
1926年12月，北伐军已攻占湘、鄂、赣、闽等地，孙传芳求援于张作霖，后将张宗昌直鲁联军、孙传芳五省联军、阎锡山晋军合编为安国军。12月1日，张作霖任安国军总司令，孙传芳、张宗昌、阎锡山任副总司令。
1927年6月，奉军和孙传芳部先后在河南和江浙被国民革命军击败。为解安国军困境，6月16日孙传芳等推举张作霖为海陆军大元帅，组织新政府。新成立的军政府在军事方面简化军事系统，任命孙传芳、张宗昌、张学良、韩麟春、张作相、吴俊升、褚玉璞为第一、第二、第三、第四、第五、第六、第七方面军军团长；张宗昌为海军总司令，沈鸿烈为副司令兼第一舰队司令，吴志馨为第二舰队司令；周焙炳为空军司令。
1928年春，奉军在河北战场被北伐军打败，张作霖除留鲍毓麟旅在北京维持治安，于6月3日乘车出关回沈阳，6月4日被日军预埋的炸弹炸死。
二、东北易帜和东北军入关
张作霖死后，张学良于1928年6月18日抵沈阳。19日任奉天军务督办。万福麟为黑龙江军务督办。7月4日经东三省议会联合会推举，张学良任东三省保安总司令职。张表示，停止军事，休养生息，决不妨碍统一。并积极将关内撤回之军队及原在东三省之军队收编，且解决了张宗昌残余部队。以旅为单位，彻底整编。其步兵共25个旅，骑兵6个旅，炮兵3个旅，黑龙江步兵3个旅，另有海空军司令部，工兵、辎重兵司令部等。
1928年12月29日张学良宣布东北易帜。南京国民政府于30日任张学良为东北边防司令长官，张作相、万福麟为副司令长官，翟文选、张作相、常荫槐、汤玉麟为辽宁、吉林、黑龙江、热河省主席。
1928年冬，张学良将所有军队改编，分别为国防军与省防军。步兵改为旅制，炮兵改为团制，工兵改为营制，辎重兵改为教导队制，通讯、铁道队、战车队也略有变更。省防军步骑为团制。改编后各部番号、长官分别如下：
（一）国防军（番号东北X军X兵X旅）
东北陆军步兵第一旅（辽），旅长王以哲；第二旅（辽），旅长丁喜春；第三旅（辽），旅长何柱国；第四旅（辽），旅长刘翼飞；第五旅（辽），旅长董英斌；第六旅（辽），旅长李振唐；第七旅（吉)，旅长赵桂祯；第八旅（吉），旅长李桂林；第九旅（吉），旅长李杜；第十旅 (吉)，旅长张作舟；第十一旅（吉），旅长暂缺；第十二旅（辽），旅长张廷枢；第十三旅（吉），旅长吉兴；第十五旅（黑），旅长王永盛；第十六旅（辽），旅长缪澄流；第十七旅（黑），旅长于兆麟；第十八旅（吉），旅长丁超；第十九旅（辽），旅长孙德荃；第二十旅（辽），旅长黄显声；第二十一旅（吉），旅长赵芷香；第二十三旅（河北），旅长于学忠；第二十四旅（辽），旅长黄师岳；第二十五旅（辽），旅长姚东藩；第二十六旅（吉），旅长邢占清；第二十七旅（河北），旅长刘乃昌；第三十四旅（吉），旅长冯占海。
东北骑兵第一旅（辽），旅长郭希鹏；第二旅（黑），旅长程志远；第三旅（辽），旅长张树森；第四旅（吉），旅长常尧臣；第五旅（辽），旅长李福和；第六旅（辽），旅长白凤翔；第十团（黑），团长涂全胜。
东北炮兵第一至第十团。东北工兵第一至第六营，第七营（吉）。东北韬重第一营（吉），第九营 （辽）。
（二）省防军
辽宁省防步兵第一、第二、第三团；骑步第一、第二、第三、第四团。黑龙江省防第一、第二、第三旅；骑兵第一旅，第二、第三、第四团。
1929年8月发生中东路同苏联的战争，张学良编成东北边防第一、第二军2个军，以王树常、胡毓坤为军长，开进哈尔滨和扎兰屯。11月17日同苏军作战中，第十旅旅长韩光第阵亡。
1930年春，由编遣会议酿成各地方实力派的反蒋中原大战爆发。大战一开始，蒋与反蒋派双方都极力拉拢张学良。3月15日，原第二、第三、第四集团军57位将领通电，拥戴张学良为反蒋的陆海空军副总司令。6月21日，蒋介石任命张学良为陆海空军副总司令。张学良因父丧不久，内部不稳，外临日本帝国主义威胁，故严守中立，力主和平。随着战争的胜负逐渐明朗及蒋介石的拉拢利诱，张学良乃于9月17日任命于学忠、王树常为第一、第二军军长。9月18日挥师入关，占领平津、河北。9月27日委王树常为河北省主席，于学忠为平津卫成司令。
中原大战结束后，南京政府决定将战败残存的晋军和西北军改编为边防军，由张学良负责改编并归其节制。11月7日张学良在天津召集晋军商震、徐永昌和西北军哲元、庞炳勋、孙殿英等共商军队改编的问题。会议决定将晋军编为4个军，西北军编为1个军，以宋哲元、商震、徐永昌、傅作义、杨爱源分任第三、第四、第五、第六、第七军军长。后晋军又扩编1 个护路军，以孙楚为军长；1个骑兵司令部，赵承绥为司令，1个炮兵队，周玳为司令，另编了3个独立旅。以上5个军，于1931年1月16日正式任命，番号依东北边防军的次序排列，东北原编有第一、第二军2个军，仍由于学忠、王树常分任军长。是年6月以上5个军归入中央军序列，改编为第二十九、第三十二、第三十三、第三十四、第三十五军。
