張學良走后，東北軍先是由于政見不和爆發內戰，后被蔣政府分化改組。后在蔣政府的內戰策略下，1937年3月，東北高級將領貿然接受蔣移交東北的命令。東北軍被派往東北戰場，山東戰場與解放軍比拼。隨著國民黨軍隊整體戰略的失敗，東北軍各部門在遼沈戰役和淮海戰役中被人民解放軍擊敗和殲滅，部分官兵造反投降。東北軍被徹底肢解。

1931年秋，日軍侵占沈陽等城市事件發生以后，關外的東北軍部隊，除黑龍江等地少數留守部隊與日偽軍周旋外，其余均奉行“不抵抗”政策，悉數退入關內。老家一夜之間丟了，東北軍內部人心渙散，士氣低迷，而作為其統帥的張學良，更是成為了國內輿論的眾矢之的，也迫使張學良被迫交出軍權，下野出洋。

張學良回國后，南京當局先是調他率軍前往鄂豫皖地區同當地工農紅軍作戰，后又把他改派西北，直接負責對中央蘇區的進攻。在直羅鎮，孤軍深入的東北軍第109師被彭德懷指揮部隊全殲，這一慘重的失敗，與張學良身上肩負的國仇家恨交織在一起，讓他不得不重新權衡繼續打內戰的得失利害。

面對西北“剿共”軍事出現僵局，南京高層頗為不悅，除此之外，潛伏于東北軍內部的特務匯報，更讓蔣介石坐臥不寧，他決定親自前往西安督戰，于是便有了后來的“臨潼扣蔣”。

為挽救民族危亡、勸諫蔣介石改變“攘外必先安內”的既定國策、停止內戰一致抗日，張學良、楊虎城毅然在臨潼對蔣介石實行“兵諫”，扣留來陜督戰的蔣介石，發動了震驚中外的西安事變，亦稱雙十二事變。

最后西安事變和平解決，國共合作抗日，但是由于這一事件，蔣介石和張學良兩個人關系也發生了變化。蔣認為張學良背叛了他，把張學良軟禁在安全的地方54年。

全面抗戰后的東北軍主力所面對命運無外乎兩種，一種是同敵人血戰后，因傷亡過大被削去建制，另一種則是保留建制，但補充入其他部隊的新兵，或被并入其他戰斗序列，以沖淡其地域色彩。經過南京方面的整軍會議與對日作戰的損耗和補充，原先曾在北洋時代叱咤風云一時的東北軍，終成為了歷史。

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