1924年9月15日，张作霖在奉天组织镇威军总司令部，自任总司令。东三省共有二十五万军队，他们被编成六个军，其中四个军约十五万人直接用于入关作战。张作霖同时任命杨宇霆为总参谋长，会同姜登选等人具体筹划入关作战的细节。
商讨入关作战，首先要解决如何入关。当时由奉天入关不外乎两条路，一是由山海关入关，二是由热河入关。山海关一路较近，而且地势平坦，有现成的京奉铁路可以利用，乃是进关的大道和捷径，不过此处直军的防备也较为严密。相对而言，热河较远，交通运输困难，但直军的兵力空虚。另外，若出兵热河的话，还可以预防吴佩孚以重兵出朝阳，从而威胁锦州，切断锦州以下全军的后路。
张作霖最后采纳了姜登选的方案，即先从热河进兵，等热河方面进至与山海关一线齐平时，再与集结于山海关前的主力一起出击。为了适应这一战略，张作霖派李景林第二军出热河，姜登选第一军、张学良第三军则在山海关至九门口一线待机。
善于用人是张作霖的另一个突出特点。此时孙烈臣已病逝，张作相、吴俊升、汤玉麟等旧派人物虽然能力平庸，无所作为，但却能够对张作霖唯命是从，忠诚度也较高，张作霖就让他们领着第四、第五军屯守后防，作为增援部队，不直接参战。对于直接参战的新派人物，张作霖也“一个馒头搭一块糕”，根据将领们不同的性格进行精心搭配。比如，第一军副军长韩麟春个性急躁，喜欢不谋而动，第三军副军长郭松龄则贪功心切，好胜轻敌，张作霖就分别以姜登选、张学良进行制约。姜登选以沉静克制著称，张学良与郭松龄关系密切，就当时来讲也能说服得了郭松龄。
战争打响后，从热河出击的第二军进展迅速，很快就占领了朝阳。韩麟春、郭松龄果然都按捺不住，两人一个劲地催促着要求立即向山海关发动攻击。姜、张均坚持既定方针不为所动，张学良说：“要攻必须得老将（奉系内部对张作霖的称呼）许可。”韩、郭始默然而去。
等到第二军逼近承德，韩、郭又叫喊着要向山海关进攻。姜、张则认为第二军尚未到达长城一线，侧翼仍存在不安全因素，故还是坚持原方针。直至10月7日，第二军拿下承德，前锋位置与山海关、九门口一线持平，姜、张在确定侧背安全，已无威胁后，他们才下令发起全线攻击。
山海关与九门口两地之间有一座不可逾越的大山，它把山海关分成了两个战场，一为山海关正面，一为九门口及其以北以西附近各口。按照事先制订的作战计划，前者由郭松龄负责，后者由韩麟春率负责，第一、第三军另外成立指挥部，对战场进行统一指挥，两军也因此合称为“一三联军”。
地形上，山海关正面比较平坦，九门口一带则山岭连绵不绝，指挥部预计山海关正面战场会先得手，所以在这方面配备的兵力最多，而且全都是久经沙场、富有作战经验的精锐老兵。结果是这一战场倒是战斗最激烈，死伤也最重，可就是攻不破对方的阵地。
郭松龄属于勇将派将领，作战主要靠硬打硬拼。进攻受挫，他不加以分析研究，仔细想想为什么受挫，反而仍是一味督兵强攻，大有不夺取山海关绝不甘心之势。眼见得第三军参战部队伤亡惨重，用张学良后来的话说，“我有一个团，差不多整个地全完了”，面对此情此景，连坐在指挥部里的张学良都感到吃不消，他对郭松龄说：“老郭，不能再干了，如果再赌气，咱们的本钱要输光了！”
原来山海关正面虽然平坦，看上去没有什么不可逾越的险要，但却正好有利于守军消灭射击死角，从而充分发挥其炽盛火力的威力，也就是说此处貌似易攻难守，实质易守难攻。与之相反，九门口一带表面险要，运动困难，实际山岭愈高，死角愈大，也愈容易避开守军的火力。
民初时军用地图稀缺，能找到的可用地图，只有清末各省测量局所测绘的二万五千分之一地图，由于它对地形地貌的描写非常简略，所以军事上的使用价值并不大。作战开始时，联军指挥部凭图查看，然而看来看去，对于九门口附近到底有哪些关口，有无道路可通关内，仍然是一头雾水。这时町野的日本顾问一职早已到期，张作霖又改聘他为私人顾问，日本政府派来接替町野的是仪我诚也。仪我住在联军指挥部，他随身携带有日本参谋本部间谍秘密在中国测绘的地图一份，该地图为五万分之一地图，尽管比例尺比中国地图大一些，但十分精细。指挥部借来一看（只能借阅查看，不允许翻印），才发现九门口附近还有多处小路和山口，且有羊肠小径直通关内。
指挥部如获至宝，当即根据这份地图拟订攻击计划，并由韩麟春部孙旭昌团担任主攻。孙团平时系姜登选亲自掌握的部队，战斗力极强，尤善于山地攻坚。这个团上去后，很快就沿着小路山口，采用分进合击的方式拿下了九门口。