阎锡山抱着争夺国家元首的野心，在这次战争中拿出他的全部资本，把晋军全部兵力20多万人动员起来参加战斗；冯玉祥也把他的西北军26万兵力全部动员开赴前线。他们要对蒋介石进行一次破釜沉舟的决战。
蒋介石投入的总兵力约60万人，嫡系与杂牌军各半，面对倒蒋联军的攻势，蒋介石将其部队编作四个军团：以韩复榘为第一军团总指挥，在山东据守黄河南岸，以阻晋军沿津浦线南下；刘峙为第二军团总指挥，率蒋的嫡系部队，沿陇海路西进；何成浚为第三军团总指挥，统率驻守河南、湖北的杂牌军，集结于平汉路许昌以南地区，牵制西北军主力；陈调元为预备军团总指挥。
1930年5月1日，蒋介石在南京举行誓师典礼并发表了《讨阎誓师词》，11日下达总攻击令，双方开始大规模接触，蒋阎冯中原大战正式爆发。
中原大战的第一枪是从双方争夺陇海线上的归德开始的。
归德就是今河南商丘，为陇海线上的战略要地，它扼陇海入豫之咽喉，为安徽、山东、河南三省之要冲，这么重要的战略之地，阎、冯却把万选才、刘茂恩这些杂牌部队摆在这里，而万选才又把素质不良的万殿尊、石振青两个师放在归德城中。蒋介石遂决定选此为突破口，突破冯、阎联军防线，而后乘军威，再与阎、冯主力决战，迫使阎、冯军处于被动地位，从而争取战场的主动。
南京方面进攻归德城的军队为刘峙之精锐教导师及第一师、第二师、第十一师。攻城之战从5月15日开始，两日后，万、石部先后弃城而逃，很快向南京方面投降。蒋军占领归德后，继续西进。21日，刘茂恩在宁陵突然劫持了万先才，在战场上倒戈附蒋，晋军大受挫折，右翼阵脚发生了动摇，急向后撤。蒋介石来到归德督战，想一举把陇海线正面的晋军打垮。
倒蒋联军重新作了部署，全线发动攻势。阎锡山集中了九个炮兵团324门大炮的火力，实行墙壁射击，蒋军损失惨重。西北军大量歼灭了蒋军的有生力量，操纵了战场的主动权。一次，冯的骑兵部队郑大章部夜间急驰80多里，奇袭朱集东站附近的归德飞机场，烧毁蒋军飞机十多架，俘虏机师和地勤人员50多名。这时蒋介石就在朱集车站的列车里，守兵不过二百人，列车没有接火车头。蒋介石想跑不能，吓慌了手脚，几乎被擒。
此时，反蒋的声浪几乎弥漫全国，而蒋在军事上又打了败仗，蒋的亲信、国民党元老张静江来到前线，对蒋发火道：
“你今天消灭甲，明天消灭乙，闹得人人自危，这样发展下去，将来如何以善其后呢？”
蒋介石忿然作色而又充满自信地说：
“只要人们要官要钱，我就有办法！”
很快，蒋介石采取了以优势兵力迅速解决南方之战，然后集中兵力对付冯、阎的战略。于是，蒋介石派何应钦率领广东陈济棠部、朱绍良部和湖南的何键部，以较优势的兵力与南方的桂系、张发奎部作战。陈济棠的粤军从南面断了桂、张的归路，蒋又调了九艘军舰进入洞庭湖参加作战。桂、张军在前有重兵阻击，后有追兵截尾的困境下，掉头撤退，又遭蒋军三路夹击，大突围中损失惨重，撤回广西，从此一蹶不振。
蒋介石打败桂、张之后，集中兵力与西北军和晋军作战。这时蒋介石看出阎、冯之间的矛盾已经明显暴露。冯军奋力苦战，晋军却想保存实力，双方配合不足，而又相互拆台。阎锡山于战，争开始不久，就断了冯军的接济，使之吃穿无着，弹械匿乏，冯军吃尽了苦头，冯玉祥气得发火不已。
针对阎、冯的情况，蒋介石决定采取把晋军打垮，把西北军拖垮的方针，将军队集中到津浦线打阎锡山。8月1日，蒋军在津浦线发起全线总攻，很快将晋军逼退到泰安。阎锡山吃到苦头，赶快送给西北军大批给养，求其配合作战，但临时抱佛脚，为时已晚。
晋军的战斗力向来很弱。山西盛产鸦片，官兵几乎都是大烟鬼，时逢大雨连绵，晋军的大烟枪点不着火，吸不上鸦片，全军将士精神不振。但蒋介石从德国买来的大炮却在大雨中不停地轰鸣。晋军招架不了，节节败退，于8月15日放弃济南。蒋军各路大军追杀甚急。晋军在黄河南岸立脚不住，数万大军乱哄哄地抢渡黄河，被水淹死和蒋军飞机炸死者无数，其状惨不忍睹，晋军大败。
被蒋介石拖在陇海线上的西北军，一向待遇低，生活苦。冯玉祥的封建家长式的治军方式，表面看来军纪森严，人人尊敬，服从冯玉祥，实际上西北军整天为军阀争战，早已不耐其苦，渴望有改善现状的机会。蒋介石看到西北军的这一致命弱点，认为打西北军不应用炮弹，而应该采用“银弹”和“肉弹”的攻势。
原来，人生之中，往往跳不出酒色财气四字的圈子，在这场大战中，蒋介石把这四个字玩的相当熟，而阎、冯这些土皇帝，恰恰丢了这四个字，所以蒋介石逐渐占了上风。蒋介石的第三军团总指挥何成浚，在漯河城中一所宽大的室院里办起了“军中之家”，一应设备十分的讲究，从武汉寻来一批中外名厨师都集中在其内，又从上海、南京、武汉寻来大批的妓女，放在军中之家，名为“慰劳队”。军中之家还设有赌场。进了军中之家，吃喝玩乐样样齐全，何要用糖衣肉弹来俘虏其率领的杂牌军将领。军中之家的头头由其兵站总监督俞飞鹏兼任，俞极精赌博，自然成为军中之家赌的组织者。他和何成浚一搭一挡，配合得珠联璧合，把个军中之家办得红红火火。
这军中之家果然敌过了十万雄兵，一下子就把杂牌军将领们的心粘住了。每天军中之家内杯盏狼籍，酒酣耳热，赌博台上吆五喝六，烟灯旁吐雾吞云，妓女房中打情卖俏。何的这一手，直把那些杂牌军将领制的服服贴贴。许多关系到战争的关键问题，都在这欢乐的气氛中，顺利地解决了。
蒋介石认为这是个好办法，遂即命令陇海线六个守备区都在前沿办起阵地俱乐部，特命南京政府军事参议院院长负责办理此事，用火车车厢、或者汽车，布置成流动酒店，备有中西大餐、烟具、赌具、雇佣上海舞女、妓女充当招待。凡是西北军官兵前来，均请人内，任其受用，分文不取。玩乐之间，蒋介石的特务从中拉拢。临走时还根据官阶的高低，对蒋军的作用大小，赠送数额不等的现金，以及烟酒等物品，进行收买。饱尝艰苦生活的西北军官兵，自然就被软化降伏了，他们羡慕蒋军的这种高待遇，很多人想改换门庭，或消极，或充当了蒋军的坐探。
蒋介石将津浦线打垮了晋军的部队集中到陇海线上，9月6日，蒋军开始总攻，阎锡山为了保存自己的实力，已密令陇海线晋军全部退回到黄河以北，使冯军形成孤立难支的形势。冯玉祥指挥西北军奋力冲杀，但遭到蒋介石“银、肉两弹”打击后的西北军已今非昔比，斗志锐减，开始向陕西退却。
正当反蒋联军失败已成定局时，少帅张学良于9月18日通电，要求：“凡我袍泽，均宜静候中央措置”，反对阎锡山、冯玉祥，就任南京政府陆海空军副总司令，明确支持蒋介石。19日，东北军两个军陆续入关，到10月初，平津及河北被东北军全部接收。反蒋联军的形势急转直下。
中原大战爆发前夕，蒋介石和反蒋联军双方都去争取张学良，张表示严守中立。蒋委任杨杰制定作战方针时，杨对张学良的价值估计很高，他提出：成败的关键在于能否争取到张学良。蒋介石接受了杨的建议，不惜代价，竭力争取张学良。
张学良虽是满口“王八犊子”的粗人张作霖之子，但自幼受到了极好的教育，有较好的现代文明知识，也十分洞悉世界大事。他极为聪颖，虽生在锦衣玉食的“关东王”之家，自幼没有涉世的艰难，也是吃喝玩乐惯了，但这位花花公子却称得“吕端大事不糊涂”，1928年的东北易帜，完成了全国的统一。张学良的这一步棋走对了，因此他的声望在国人的心中也顿然改掉了那“胡匪”的印象，都认为他是中华大地新升起的一颗政治明星。
在阎、冯与蒋力敌的重要当口，张学良反复权衡国家大事。他看到了上海《申报》的一幅政治漫画。那画画着阎锡山一手拿着算盘，一手拿着烟枪，冯玉祥一手拿着窝窝头，一手拿着大刀，蒋介石一手拿着一大叠崭新钞票，一手拿着一支勃朗宁手枪。不禁对左右心腹说：
“冯、阎二人，完全是北中国土窝里的土皇帝，娶小老婆都还要小脚女人，这样的人决谈不上什么开明政治主张，只能凭枪杆子称王霸，别说没有力量统一全国，就是统一了中国，凭他的智力和知识水平，也治理不了国家。”
当下，张学良与心腹谋士商定，认为只有蒋介石能统一中国。蒋手下延揽了大批的人才，文有文的、武有武的。是治理国家的样子，虽非明主，但比冯、阎这些土皇帝文明多了，中国之统一，非蒋莫属。中国只有统一了，才能抵御时时要侵吞中国的日本帝国。遂暗中决定附蒋讨冯、阎。后来的历史证明，张的这一步棋走对了。这也是张学良进入20世纪上半叶中国政治舞台后走的第二步棋子。
张学良在两派相拉入伙的形势下，静观风向达半年之久。开始，他力主和平，极力想避免东北军卷入这场内乱，他曾多次发表和平通电，希望通过协商解决分歧。因为，东北面临日本帝国主义的严重威胁，父丧未久，内部未稳，如参加内战引起内部分裂，家仇未报，还给日本帝国主义以可乘之机。他曾给东北上层元老张作相回电，内称：“名分决服从中央，举动必以东北三省福利为前提而慎重考虑。”
蒋介石为争取张学良煞费苦心，付出了高昂的代价，决心要把张学良拉到南京政府一边。他派出亲信张群、李石曾、吴铁城等人轮班长期盯在张学良的身边，张学良到何处，蒋介石的人跟到何处。蒋介石指定中国银行对他们用款充分供应，只要达到目的，不拘数字。蒋许给张学良以华北地盘的实际权益，先委任张为海陆空军副总司令，又委任东北军将领于学忠为平津卫戍司令，王树常为河北省主席，以后，又委任胡若愚为青岛市长，王家帧为外交部次长。自从东北军于1928年6月被南京政府军赶出华北后，东北军和张属下的官员对于重返华北再据京津早已绝望，而今天竟然不费吹灰之力成为现实，其诱惑力可以想见。蒋介石还请出英、法公使充当说客，对张学良也有不小的影响。
同时，蒋介石还有更阴险的招法，就是分化瓦解东北军，以高官厚禄买通张学良的部下，如蒋以三百万现洋收买了东北军23旅旅长马廷福率兵叛变，这使张学良很忧虑，他知道蒋介石这个人不择手段。最后，张学良从东北军集团的利益出发，站在了蒋介石的一边。
相形之下，反蒋派拉张学良的手段就大为逊色了。首先他们拿不出什么切实的优惠给张学良，态度又比不上蒋介石那样坚决，那样“诚恳”，使张感到阎、冯对自己不够尊重。阎锡山和冯玉祥所派的代表孔繁蔚、贾景德和薛笃弼是两手空空去沈阳，“阎发给贾旅费1000元，冯发给旅费500元”不几天就花光了，在沈阳官场应付都不敢露面，更谈不上拉拢，对张学良的行动也是一无所知。他们只是卖着阎锡山一套友谊空话，什么“一心一德，共同救国，相见以诚，信守不渝”等等，根本打不动张学良。而张学良却“总是闭着眼睛打瞌睡”，和“只谈几句普通应酬话，没有涉及大局”。
有人很形象地说：蒋、阎对张学良的争取好像一场市侩流氓与乡间土财主的竞争，土财主爱财如命，一毛不拔，自然胜不过敢下赌注的市侩流氓。张学良终于倒向蒋介石，东北军主力入关，这就最后决定了阎锡山失败的命运。
反蒋联军在战场上与蒋军激战五个月，联合反蒋的改组派和西山会议派在会场上也舌战了五个月，最后演出了一幕阎锡山“五九小朝廷”的历史丑剧。阎锡山从4月1日宣誓就总司令职开始，就希望汪精卫赶快由香港北上主持局面。而汪精卫却于桂、张失败后，才把希望寄托在北平，于7月23日转道日本到达北平。在他的拉拢拼凑下，终于在8月7日召开了“中国国民党中央党部扩大会议”。扩大会议选举了常委、秘书长及委员会主任、委员等，通过了宣言，决定组织与南京对抗的国民政府，选举阎锡山、汪精卫、冯玉祥、李宗仁、谢持为国府委员，推阎锡山为国民政府主席。反蒋派从组织形式上大联合了，但这时阎、冯军队在战场上已呈败局。
阎锡山满脑子封建帝王思想，也和袁世凯一样，作皇帝梦，想登“五九”之尊，他选择了民国十九年九月九日九时九分这个“黄道吉日”，在北平怀仁堂宣誓就任国民政府主席之职。此举，一般称之为“五九小朝廷”，是为了凑成个“九五”之尊吧？但是，第二天，张学良就让东北各省市的国民党党部致电南京国民党中央党部，提出反对北平扩大会议的八项理由，并称扩大会议的参加者是：“军阀余孽，失意政客、野心党痞、不逞之徒。”
同一天，张学良召开了东北军高级将领会议。会上，张学良讲了一番很漂亮的话，他认为：
“阎、冯合作，事如有成，二人必定决裂。至于扩大会议，西山会议派本诋汪兆铭、陈公博为‘赤化’；汪、陈改组派亦骂西山会议派为叛徒，他们的结合，只是暂时，将来定要水火。”
“蒋先生系一阴谋家，但他能容纳大批人才，见过大世面，也能听些别人的意见，当今能统一中国的，只有蒋先生。他本想以军事解决西北，以政治解决西南，以外交解决东北。”
最后张表示：
“我们为整个大局计，必须从速实现全国统一，早停内战。最近阎、冯的军队业已退到黄河以北，石友三也开始动摇，如果等待蒋先生打败了阎、冯，东北军就失去了举足轻重的地位，蒋先生也就不必借助东北军了，我们也失去了恢复东北军华北势力范围的机会。所以，我们不可再坐视，必须即刻出关援助蒋先生！”
于是，张学良就在9月18日发出拥护中央、呼吁和平的通电，进兵关内。
在蒋军的强大攻击下，晋军撤回山西老巢，冯部退出河南，残部一部分由鹿钟麟统率退往河北，转入晋南，另一部由宋哲元率领退往潼关以西。
中原大战以蒋介石的胜利，阎、冯的失败而结束。11月4日，阎、冯在太原联名发出致张学良的支电，声明即日下野，“释权归田。”阎避住大连，冯玉祥移居汾阳。
蒋介石让张学良改编晋军，他自己收编西北军。张将晋军加以整编，由原来的10个军40多个师缩编为4个军8个师，以商震、徐永昌、傅作义、杨爱源4人为军长。蒋介石对冯玉祥的西北军是化整为零，各个消灭，将其变为自己的工具。蒋把西北军的主要将领委派为某路某路的指挥，调换了驻地，把几支部队隔离开来，把退入山西的宋哲元改编为29军，由宋任军长。至此，冯玉祥经营了20多年的西北军全部瓦解，冯玉祥从此失去了与蒋介石对抗的实力，不再直接参加军阀混战。这也成为他转向民主派的起点。
阎锡山后来乘“9？18事变”之机，潜回山西，与蒋介石达成妥协出任太原绥靖公署主任，这以后阎已没有同蒋对抗的实力，更加圆滑处世。老老实实成为蒋介石的部下。
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