八月中下旬，隨着張學良的命令，自東北易幟後沉靜了近兩年的東北軍戰爭機器再次全面啓動。黑吉遼三省的交通網陷入一片繁忙，一列列風馳電掣的軍列運載着全副武裝的東北軍官兵或堆積如山的輜重物資開赴向各個集結地，濃厚的戰爭氣氛再度團團籠罩在東北大地上。嗅覺靈敏的各方勢力紛紛把密切的目光投向東北，全國上下看到東北軍這支唯一沒有參戰的地方軍隊也開始有了動靜後，立刻舉國騷動、衆說紛紜，社會各界惴惴不安、喜憂參半，不知張學良和東北軍究竟加入哪方的陣營裡，也不知這場中原大戰會不會因爲東北軍的參戰而早點結束，更不知這場大戰的結局究竟是什麼。根據東北邊防軍總參謀部和東北邊防公署參議廳所聯合制定的作戰計劃，東北軍此次入關出動6個步兵師、6個炮兵團、2個騎兵旅、2個戰車隊、2個航空隊，編爲兩個軍，共計約有10萬兵力、飛機100多架、大炮600多門、坦克和裝甲車200多輛，盡是東北軍的精銳。東北軍此戰共有三個目的：一是調停中原大戰，維護國家統一、恢復國內和平；二是將東北的地盤擴張到關內；三是假道伐虢，趁機剷除盤踞在熱河的湯玉麟。第一軍軍長爲于學忠，第二軍軍長爲王樹常，出關部隊總司令爲張學良，正副參謀長爲楊宇霆和楊傑。
第一軍下轄：
第102步兵師 師長齊恩銘中將
第103步兵師 師長丁春喜中將
第104步兵師 師長劉翼飛中將
第1炮兵團 團長王紹雲上校
第2炮兵團 團長黃永安上校
第3炮兵團 團長謝緒哲上校
第1騎兵旅 旅長何柱國少將
第1戰車隊 隊長李振遠上校
第1航空隊 隊長徐世英上校；
第一軍炮兵總指揮 劉多荃少將；
第二軍下轄：
第105步兵師 師長高維嶽中將
第106步兵師 師長趙恩臻中將
第107步兵師 師長王樹常中將
第4炮兵團 團長王和華上校
第5炮兵團 團長張福山上校
第6炮兵團 團長汲邵嵐上校
第2騎兵旅 旅長郭希鵬少將
第2戰車隊 隊長韓夢羆上校
第2航空隊 隊長趙延須上校
第二軍炮兵總指揮 吳克仁少將。
實際上，第一軍和第二軍的下轄部隊都是原先駐守在遼寧省的部隊，是東北軍位於最前線且裝備最好的精銳。遼寧的七個步兵師一下子就抽走了六個，顯然讓遼寧陷入了防禦空虛。張學良隨即下令從吉林省抽調第110師、第111師，從黑龍江省再抽調第112師、第113師，以這四個師調入遼寧省以補充防禦兵力，謹防日本人圖謀不軌。另外，由於蔣介石已經批准給張學良的東北軍再增加10個步兵師的番號，因此張學良命令從吉林和黑龍江境內抽調五萬餘原先的“農業屯墾團”預備官兵分批進入遼寧省，並準備好武器裝備，任命了人事安排，隨時把這些“農業屯墾團”組編成正規軍部隊。當然，爲了矇騙和麻痹反蔣聯盟，不能泄露張學良和蔣介石已經達成協議的秘密，這些“農業屯墾團”眼下不能立刻就組建成正規軍的，因此這五萬多預備官兵暫時調撥到遼寧省內，繼續用“農業屯墾團”的名義，進行戰備待命，從而確保遼寧省、整個東北都繼續萬無一失，不會因爲東北軍此次入關參戰而陷入防禦空虛。
八月底，東北軍第一軍、第二軍都陸續集結到錦州，從黑吉遼三省後方運來的糧食醫藥、軍械武器、彈藥輜重也都源源不斷運到錦州，全軍士氣高昂、兵強馬壯。很多東北軍的將領們都摩拳擦掌、興奮不已：“咱們又能入關了！”“這次一定要好好地跟那幫南蠻子一決雌雄！”
8月30日深夜，張學良在錦州的入關部隊總指揮部內，命令東北邊防公署通訊副廳長周大文啓動秘密電臺，聯繫上了正在濟南督戰的蔣介石。中央軍已於8月15日攻佔了濟南，將山東境內的西北軍和晉綏軍擊潰並都驅逐到了黃河以北，中央軍隨後高歌猛進、乘勝追擊。蔣介石爲鼓舞士氣，不但對部隊懸以重賞，同時親自在最前線督戰。獲悉張學良用秘密電臺呼叫自己的報告，蔣介石大喜過望，急忙親自趕到電臺邊。蔣介石和張學良進行了如下對話：
張學良：蔣主席，您信任我嗎？
蔣介石：學良弟，本主席素來絕對信任你。
張學良：蔣主席，您此戰是想擊潰閻馮，還是想一勞永逸地消滅他們？
蔣介石：當然是徹底消滅這兩個屢叛中央的地方巨患了。
張學良：那好。既然蔣主席絕對信任我，並且蔣主席想徹底消滅閻馮，那就請蔣主席在接下來的戰事裡密切配合我。具體做法如下。
蔣介石：好！學良弟，黨國能否度過此次危亡，就都看你的了。我相信你不會辜負黨國。
關閉電臺後，蔣介石滿腹思緒，他在當晚的日記中寫道：“…此戰勝負，已決於張學良。若張學良以誠待餘，此戰中央必大獲全勝且徹底令閻馮二逆無法再起；倘若張學良口蜜腹劍、包藏禍心，亦聯合閻馮李逆合叛中央，中央軍必全局崩潰，餘亦再無回天之力。黨國之安危存亡及餘之身家性命，已然盡繫於張學良之一身。此戰，爲餘統領黨國以來前所未有之賭博。”
而千里之外的錦州，張學良則仰望着月朗星稀的璀璨夜空，微笑道：“好戲就要開演了。”
在聯繫蔣介石後，張學良又致電湯玉麟，聲稱東北軍主力即將入關參戰且經過熱河境內，要求熱河省駐軍抽調出三個師參戰，編爲第三軍，由湯玉麟擔任軍長，彈藥輜重軍費盡由瀋陽方面提供。張學良向湯玉麟許諾，在此戰勝利後，反蔣聯盟讓出來的察哈爾省交給他管轄。儘管湯玉麟對張學良頗有戒心，但想到自己能通過此戰額外撈到一個省的新地盤，也很心動。湯玉麟隨後急忙連夜召見了反蔣聯盟在承德的代表，確實證明了張學良即將加入反蔣聯盟以及戰後東北會分到察哈爾省的說法，頓時心頭安穩了不少。湯玉麟在喜出望外之下，也急急忙忙地調兵遣將、準備參戰。
東北軍（奉軍）第四次跨過山海關、參與逐鹿中原的戰事已是箭在弦上。
8月31日，閻錫山代表、山西省主席商震和馮玉祥代表、北京特別市市長何其鞏等人受到了張學良的邀請，來到錦州共同商討“東北軍、西北軍、晉綏軍、桂軍”四方聯合作戰，負責接待他們的是東北軍出關部隊總參謀長楊宇霆。楊宇霆認爲目前反蔣聯軍最吃緊的地方是山東和河南，而山東又比河南更吃緊，因爲聯軍和中央軍在河南省還在拉鋸戰中，而聯軍在山東境內已是步步潰退。因此東北軍出關後，借道平津和河北，直撲山東戰場，幫助山東境內的晉綏軍、西北軍穩住陣腳並展開反擊，最終一路南下，攻佔江蘇北部的軍事重鎮徐州。江蘇省是蔣介石中央軍派系的核心地盤，徐州又是津浦線的樞紐要塞。一旦聯軍攻佔了徐州，不但可以威脅江蘇甚至是南京，還能迫使河南境內的中央軍不得不回援後方，從而一舉兩得地同時解除聯軍在山東、河南兩省的危機。最後，東北軍、西北軍、晉綏軍再聯合全面反擊，迫使中央軍全面轉攻爲守，並把戰火燒到江蘇省境內，甚至兵臨南京城下。屆時，蔣介石和南京政府想不垮臺都難了。
楊宇霆又代表張學良表示，爲表達東北軍對晉綏軍和西北軍的合作誠意，東北軍馬上調撥五萬發炮彈無償贈送給晉綏軍和西北軍。商震和何其鞏聽了後，更是大喜過望，對張學良感謝不已，同時表示非常贊同東北軍的這個作戰計劃，並承諾晉綏軍和西北軍會全面配合東北軍進行最後的全面反擊作戰，共同打倒蔣介石，四家平分關內地盤。
東北軍、西北軍、晉綏軍的三方聯合作戰會議在皆大歡喜的氣氛中一錘定音。
9月1日，一個震驚全國的消息傳來：先前一直蟄伏待機的張學良和東北軍正式宣佈參加中原大戰！這天上午，張學良對全國發表了《和平通電》，聲稱“…黨國不幸、黎民苦楚，建國十九年來兵爭不止、內戰頻繁，以致國土破碎、國民艱坎。究其根本，乃民國並非民國，而爲一人獨裁之專制王國，乾綱獨斷、大權獨攬，黨同伐異、排斥異己，從而屢挑兵戈戰端，禍亂九州四海。中原大戰數月，廬裡丘墟、人民塗炭，傷心慘目、詎忍詳言。戰局倘再延長，獨者繼續專橫擅權，必定國將不國、倒懸在即。學良既委身黨國，素以愛護民衆、維護統一、擁護中央爲懷，不忍見各地同胞再罹慘劫，唯有毅然出兵，矢志民主、重建共和，消除戰禍、剷除獨權，庶幾人民生活得以免遭流離之苦，國際地位無可墮落之虞，是則區區所期望者也。迫切直陳，惟希亮察。張學良。印。”
這個《和平通電》傳遍全國後，舉國大譁。傻子都看得出來，張學良在這個《和平通電》裡指名道姓罵蔣介石是獨裁者，聲稱他“專橫擅權”是中國內戰不斷的根源，東北軍入關參戰是爲了“消除戰禍、剷除獨權”。張學良的意思太明白不過了：東北軍是加入反蔣聯軍的，是要打倒蔣介石和中央軍的。
霎那間，反蔣聯盟歡聲雷動，汪精衛、閻錫山、馮玉祥、李宗仁、石友三等人無不興高采烈、彈冠相慶，同時如釋重負、大口鬆氣，而之前被蔣介石打倒的李濟深、張發奎、唐生智等人也歡呼雀躍，認爲蔣介石這次是在劫難逃。東北軍、西北軍、晉綏軍、桂軍四方聯合，絕對能徹底打垮中央軍和南京政府，讓蔣介石萬劫不復。南京政府方面則是人心惶惶，軍政高層無不面如土色。蔣介石更是氣炸了肺，在《中央日報》上破口大罵張學良是“背信棄義、附逆作亂、叛反中央、其心可誅”。中原大戰前線，中央軍各部在獲悉東北軍也加入反蔣聯軍後，頓時士氣低落、軍心不穩。西北軍和晉綏軍趁機反攻，收復了不少失地，中央軍內不少原先由地方軍投降過來的部隊也接二連三地再次“棄暗投明”，使得中央軍各部陣腳大亂。此時全國上下所有人都看得出來，東北軍也參加反蔣聯軍，那中央軍和蔣介石這次是輸定了。
瀋陽城內，張羣、方本仁、吳鐵城等一干蔣介石和南京政府的特使代表齊齊被東北當局扣押軟禁，而樑汝舟、張維清、溫壽泉、楊廷溥、孔繁蔚、鄧哲熙、門致中、郭泰褀等反蔣聯盟的代表們則被奉爲上賓，一個個眉開眼笑、喜氣洋洋。與此同時，在9月1日這天上午，東北軍入關部隊第一軍、第二軍的十萬大軍浩浩蕩蕩地開出遼寧省，開向熱河省境內。另外，張學良當時承諾的第一批的三百萬發子彈、三萬噸糧食以及那五萬發炮彈的首批一萬發炮彈都已經提前一步運入關內，送到聯軍手中。頓時，閻錫山、馮玉祥、李宗仁、汪精衛等人更加對東北軍好感大增且信賴有加，反蔣聯盟也把最後的勝利希望都寄託在了張學良的身上。