直皖军队已进行最后摊牌阶段。局势对皖系相当不利。首先，直系军队已经集结完毕。
6月中旬，直军全部撤回到中原，借口原在直境营址全部被他军占据，不得已暂住郑地，以待让出营盘，其实在郑州积极备战，力图制皖。
这时候，皖系无论在外交上、财政上、或是作战的战略地位上，都处于十分不利的地位。最大的两个因素成为皖系的致命伤，一个是主张内战，不得人心；一个是亲日，全国人民痛恨日本侵略，莫不反日，皖系独倚日本为支援，更是大失人心。
将领方面，皖系的徐树铮成为众矢之的，可以说段祺瑞因为信赖徐树铮一个，而导致直奉两系联合抗皖，皖系的将领简直拿不出一个人物，只有徐树铮像样，所以段祺瑞在重要关头便离不开徐。
局势一天比一天紧张。6月17日，徐树铮由库伦返抵北京，暂时放弃他“西北王”的事业。这样，京畿一带直皖势力不分上下，互相对峙着。
7月14日，段祺瑞迫于情势，正式下达对直军的总攻击令，直皖大战正式拉开帷幕。
战争是流血的政治，它取决于双方军事力量、人心向背及其它内外因素，当双方内外因素旗鼓相当时，则乃是纯军事力量的较量：
直军总兵力计55000余人，再加同盟军共达18万人。
皖军总兵力计70000余人，再加盟军总计约有14万余人。
战争打响后，皖军主力即向涿州、玻璃河一线开进，总司令段芝贵在玻璃河附近铁路一列火车上设立“定国军司令办事处”，此时东线平静，大战在京汉线上首先爆发。皖军主力曲同丰第一师在晚上8时左右迅速推进到玻璃河、固安、涞水一线，同高碑店的直军形成对抗态势。由于前敌总指挥曲同丰对京汉铁路以东的第十五师感到疑惑，因此不敢猛进，只得命令第一师和李进才第十三师沿京汉路小心翼翼地向南夹击前进，随后边防军陈文远部跟进。这支大军行至玻璃河受到直军先头部队的截击，曲同丰即命令各部队逐次展开，并用重炮向直军阵地轰击，一时烟尘冲天，炮声隆隆，枪声炮声宛如雨打芭蕉，一片混沌。炮声一停，杀声四起，步兵展开冲锋。战至深夜，探照灯把战场照得通明，直军招架不住，迅速后退，边防军当夜占领下坡店，第二天拂晓攻占高碑店。皖军西路定国军总司令段芝贵指挥陆军第十五师会同第一师和第十一师向直军防线发起总攻，双方激战两个小时，直军先败后胜，占领军事重镇玻璃河，战争演变成胶着状态。15日，曹锟发出边防军分路进攻，直军将士严阵以待的通电。
当定国军东西两路配合不周，停止进攻势头之时，直军董政国旅即反攻高碑店边防军，吴佩孚在退出高碑店后，随即率师绕出左翼向高碑店之间的松林店发动突击，17日，以迅雷不及掩耳之势突入玻璃河车站附近“定国军”西路军指挥部，此时西路军总指挥曲同丰因连战连胜，踌躇满志正在做着直捣保定，生擒曹吴的好梦，不料突然枪声大作，吴佩孚已带兵冲进他的司令部，曲同丰及其高级将领10余人全部被俘，这一路的边防军和第十五师便像山倒堤崩一样从高碑店败退下来。当天直军就占领了涿州，并向长辛店追击前进。这一次战斗，边防军第一师第一旅旅长范尚品阵亡，第二旅旅长程长发逃跑。第十五师本来是冯国璋的卫队，被迫前来作战，现在情况发生了变化，该师第二十九旅旅长张国淦、第三十旅旅长齐宝善率部倒戈，并通电呼吁停战。
吴佩孚派人将曲同丰押至保定后，18日，曹锟在保定接受了曲同丰献刀。曹锟在大厅中站立，曲同丰由直军将领陪同，全副戎装，步履铿锵，进入大厅，后面还有其他被俘的军官，曲解下腰间军刀，双手捧献曹锟，并朗声说：“鄙人今天愿向贵经略使投降，特将军刀献上，宣誓决不再与贵军为敌。”曹锟双手接过军刀，又双手送归曲同丰，用和悦的音调对面前的降将说：“本使今天愿接受贵司令投降。贵司令作战勇敢，本使深为敬佩，特将军刀发还，仍请佩戴。本使当按照优待俘虏条例予贵司令以最优待遇。”献刀完毕，两人握手叙旧，欢若平生。
曲同丰深受感动，当天发出通电，劝告边防军弃暗投明，共起讨“贼”。双方在西线停止战斗。
曲同丰在西线丧师的消息传到后面花车上的主帅段芝贵那里。当时，段芝贵不耐连宵独守空帷，虚帐寂寞，他便命令副官到北京八大胡同接了两名相好的妓女，左拥右抱，在卧车里大喝其香槟酒，参谋长接到电话，急得团团乱转，不好意思闯进房里报告，只好央求段的亲信副官，硬着头皮往里闯，一见那不堪入目的情景，平时伶牙利齿，都化作了结结巴巴。段一听，立时吓得面无人色，挟着妓女，弃职逃跑，指挥联络全部中断，皖系主力，风流云散。直军迅速北上，一路如入无人之境，占领长辛店，兵锋直达芦沟桥，定国军纷纷交械，西路直军胜利在望。
西路定国军发起对直军进攻后，15日晚，徐树铮指挥东路军也兵分三路开始向直军防地固安、宫村一带发起攻击，双方战斗异常激烈，伤亡惨重。16日9时许，定国军由梁庄、北极庙和张庄向直军扬村曹钅英指挥部进攻，徐树铮指挥边防军第三师和西北军第二混成旅的炮兵向直军狂轰滥炸，炮声隆隆，惊天动地，弹道所经之处，在暗寂夜空，闪过道道眩目弦光，一发发炮弹爆炸，强光倏闪，将直军阵地上的麻布袋、铁丝网，映得历历在目，巨细无遗。成千上万的炮弹把阵地前后的泥土都翻了面，直军也架炮还击，炮战多时，未决胜负。这一仗直打到深夜2时左右，皖军前线不曾获得尺寸进展，将近天亮时分，徐树铮发了恨，将主力军全部投入最前线，用一列纵队的队形，前赴后继，轮番猛攻。直军曹钅英方面由于战线拉长，兵力分散，渐渐支撑不住，于是，张庄一线的队伍，只好沿铁路一线陆续撤退，一步步地退向杨村车站附近。徐树铮以为直军已溃退，立即挥军直追，结果坠入曹钅英早已布置好的阵中。直军在铁路桥上架设大炮，准备等皖军蜂涌而上，迎头痛击，正当皖军人潮滚滚，进入直军大炮射程之内，突然，日本护国队从天津赶来，强迫直军退出铁路两英里，直军防地一时混乱，定国军乘机进击，占领杨村，直军败退。接着徐树铮又由张庄、蔡村和皇后店，列成一字长蛇阵进攻溃退的直军，双方又在杨村以北10里处发生遭遇战，双方攻击猛烈，声振山岳，死伤盈野，适逢奉军张作霖部借口皖系徐树铮派赴东北“暗杀团”为由，指挥奉军从右翼插入战场。直军勇气倍增，不但重新站住了脚，而且和奉军齐步并肩，立即展开反攻，重克杨村，直下廊房，皖军四散逃奔。17日，直奉两军遂自廊房出击，扼喉抚背，长驱直入，定国军死伤甚多，弃兵曳甲，豕突狼奔，一蹶不振。于是段祺瑞急忙命令宋子扬、褚其祥、李如璋率部增援徐树铮。正当徐树铮试图整军再战时，闻悉西路军已失败的消息，致使东路全线溃不成军。直军乘胜追击，定国军陈文远受伤退出战争，两旅长被活抓。徐树铮见大势已去，慌忙化妆逃回北京。
这一天，直奉联军迫近团河，段祺瑞环视四周，徐树铮兵败廊房，匿身六国饭店；吴光新大军溃散，被囚武昌督署；段芝贵5万雄师，落个仅以身免；曲同丰献刀投降，反攻军心浮动；安福系要员纷纷作鸟兽散，四下逃遁；自己的四大台柱，全都完了，分明是众叛亲离，只剩下孑然一身，困守危城，无异是唱那“李陵碑”的悲戏了。
19日，段祺瑞通电全国，“引咎辞职”。
同一日，曹锟宣布直皖战况及皖军败北通电，直皖大战主战场战争告终。
直皖战争在18日已经基本结束，一直到23日，直奉先头部队才开到北京。24日，直奉两军大队人马进入北京，分别接收了南北苑营房。同日，徐世昌派王怀庆督办京畿军队收束事宜，负责解散败兵。26日，徐世昌又下令取消对曹锟、吴佩孚的处分。28日，批准段祺瑞辞职，撤消督办边防事务处、西北边防军名义，西北边防军由陆军部收束解散，勒令解散安福俱乐部。这样，在袁世凯死后，皖系控制中央的历史正式划上句号。
直皖战争，双方准备，前后历时三年之久，从冯国璋到京接任总统后即开始冷战，这是北洋军阀统治时期的一个特色——冷战期长，热战期短。直皖冷战了三年，可是真正热战起来不过三四天。尤其怪异的是，两系的阵容并不鲜明，真正敌对的，在皖系方面是段祺瑞和徐树铮指挥的边防军，在直系方面是曹锟和吴佩孚指挥的直军。其它各省的两系军人基本上是按兵不动，坐观成败。因而战争的结果，所消灭的也只是边防军，第一个垮台的是段祺瑞。