孙科在他的《八十自述》一书写到了对张作霖的印象：“张作霖个子不高，人也清秀，毫无绿林出身的样子。他当时每天都派车子来接我去他的办公室，共进早餐。早餐也总是那些小米高粱等熬成稀饭，很简单的。吃过以后，他的秘书长就带着一大堆公文进来。他听取秘书长的报告后，也马上用口头指示。秘书则一旁记录。因此，每天一百多宗公文，不到一个钟头都可处理完毕。显然他是一个很聪明的人，在他住所花园里有个拱门，门上刻了‘慎行’两个字。”
1924年9月3日，卢永祥通电就任浙沪联军总司令，同时即与江苏都督齐燮元军在上海附近打响第一炮，江浙战争（又称“齐卢之战”）爆发。在吴佩孚的支持下，江苏都督齐燮元、闽粤边防督办孙传芳、福建都督周荫人、江西都督蔡成勋、安徽都督马联甲形成联盟，共同进击卢永祥。翌日，孙中山在大元帅府召开筹备北伐会议，宣布“援浙即以存粤”。5日，孙中山发布了北伐命令。
9月4日，张作霖便向直系挑战，致电曹锟，声言“将由飞机以问足下之起居，枕戈以待最后之回答”。9月15日，张作霖自任镇威军总司令，率6个军25万人向山海关、热河一线推进。直系也以吴佩孚为总司令，出兵20万人，驻屯在山海关和热河一线。第二次直奉战争爆发，主要战场在山海关一带。孙、段、张 联合起来，共同行动。这样，战争由江浙一隅的局部事件，发展成为全国反直势力与直系军阀的大决战。东北军将领何柱国在《孙、段、张联合推倒曹、吴的经过》一文中承认：“我们奉军的胜利，与孙、段的配合，从头到尾都是分不开的。”张学良后来也回忆说：“我父亲很厉害，他一定要打，为什么呢，就是因为‘三角同盟’。”
与江浙战争进行同时，孙中山领导的北伐军也有所进展，樊钟秀部和程潜部一度攻入赣南和湖南宜章。不过北伐军为后方的陈炯明和反动的广州商团所牵制，不能全力以赴，所以直接的战果并不显着。但在孙中山的号召之下，不但直接威胁到湘赣两省，而且川、滇、黔等省也行动起来，声势浩大，牵制了长江以南直系的大量军队。何柱国指出：“第二次直奉战争的胜利，一是冯玉祥倒戈，发动了‘首都政变’，一是与三角同盟中的西南孙中山方面对曹、吴的牵制是分不开的。”从这个意义上说，孙中山与张作霖的合作，基本上达到了最初设定的目的。孙张会谈，无果而终
1924年10月，正当吴佩孚在山海关前线同奉军激战时，直系第三军总司令冯玉祥与直系援军第二路司令胡景翼，联合京畿警备副司令孙岳秘密计划倒戈。10月23日，冯玉祥回师南苑，通电停战，发动北京政变，曹锟被囚，第二次直奉战争结束，直系瓦解，奉系取得决定性的胜利。张作霖、冯玉祥、段祺瑞等人皆致电孙中山，邀其北上，共商国是，并提出召开由各实力派参加的和平会议，产生正式政府。