在郭松龄兵败的原因中，很少有人提及大学系所产生的作用，郭松龄起兵是源于大学系，而兵败也多源于大学系。大学系中具体工作的领头人是郭松龄，但郭松龄既非大学系的精神领袖也非实质主导，大学系真正的当家人是少帅张学良。大学系起兵其实更像是“兵谏”，乃是希望少帅张学良对士官系不要过于示弱，从郭松龄到各级军官都没有完全做好跟奉军鱼死网破的准备。待到战事出现变化，张学良登高一呼，倒戈的部队立时土崩瓦解，郭松龄的反奉之路也便到了尽头。
在张作霖与日方签订了密约之后，日本藤高明首相、币原外相与宇垣陆相等举行紧急会议，决定命令关东军司令官白川义则对张作霖、郭松龄两部人马“速施警告，将驻屯军队，做适宜之配置”。1925年12月8日，关东军司令官立即向张作霖、郭松龄发出警告，“故帝国附属地无论矣，即在附近因发生战斗及争乱，有危害或毁损帝国重大利益之时，在军人之职责上，当然不能漠视”。
日方的这个警告看起来是针对张、郭双方，但其实却是针对郭松龄部。郭松龄部既然要进攻奉天，就必须穿过满铁附属地，如今日本人站出来反对，就使得郭松龄部的进攻变得棘手。在看到日本人的警告之后，张作霖感到长出了一口气，有日本人阻挠，郭松龄便不能顺利进军，而张作霖的援军此时业已在路上。当时，在中国各地视察的前日本驻奉天领事津辰一郎也向其上级做了一份报告，“殆系此警告之结果，使彼获得确保最后安全之希望”。
但张作霖并不知道的是，日本人虽然已经和张作霖签订密约，但仍然不忘和郭松龄取得联系。毕竟，以当时的情势而论，张作霖命在旦夕，郭松龄则是占据上风的实力派人物。根据时任郭松龄副官的赵云飞回忆，关东军曾委派人到沟帮子会晤郭松龄，并且露骨地表示“阁下就要进入奉天，首先必须承认帝国在满蒙的特殊权利”，并且表示只要郭松龄能够答应日方提出的条件，“日本帝国即予贵军以便利”。
事情到这里再明白不过，张作霖这个时候反而成了日方与郭松龄谈判的筹码。日本人找到郭松龄，声明张作霖已经答应他们的条件，并且签了字，但这个时候他们还是支持郭松龄，所以只要郭松龄也答应这些条件，他们就不管张作霖的死活了！但张作霖是土匪出身，当面锣对面鼓的事驾轻就熟；郭松龄却是行伍出身，接受过正规的军事教育，加之他本就是打着国民军的旗号“大义”倒戈，怎么能够见利忘义？于是，郭松龄断然拒绝了日方的条件，并且表示“这是中国内政，希望贵国不要干涉”。
日本人一看郭松龄无法合作，便收敛心性开始专意支持张作霖。其实日本人这么做，也是逼不得已，虽然张作霖痛快答应合作，但他们在东北与张作霖打了几十年交道，深知这位胡子大帅满肚子花花肠子，委实让人捉摸不透。但此时郭松龄已经拒绝了他们的提议，他们虽然对张作霖不能完全信赖，也只能退而求其次地选择支持张作霖。
14日，郭松龄部马忠诚旅在准备进入营口市区的时候，首先遭到了日本守备队的强硬阻击。随后，日方对郭松龄部发出严重警告：不准郭松龄部接近南满铁路附属地，而且不得沿着辽河作战。15日，关东军司令官白川义则对张作霖、郭松龄两部人马发出第二次警告，“日本军对由南满铁路附属地两侧及由该路终末点起自二十华里以内之直接战斗行为，及其对附属地有演乱治安之虞之军事行动，一概禁止之”。同日，日本内阁召开紧急会议，决定对中国东北的局势进行武力干涉。
在关东军司令官白川义则对张作霖、郭松龄两部人马发出第二次警告以后，关东军便将大石桥、辽阳、奉天、抚顺、铁岭、开原、长春等十四个满铁沿线重要中心地点划为“禁止武装部队进入区域”，这样一来，等于将奉天周围的地方全部划入日方区域，郭松龄要进入奉天，就必须面对日军的防区。不久，日军开始频繁调动，大量日军进入奉天一带。日本陆军省又自本土及朝鲜调派两个师团进入奉天。
凡是日军经过的地方，便到处插上日军的旗帜，以示为日军所掌握的地区，郭松龄部的官兵不得介入。彼时，日本在南满部署的兵力一度达到了4万余人，而奉天省城周围几乎遍插日军的旗帜，郭松龄部根本无法进入奉天。在接到日方的第二次警告以后，郭松龄以强硬态度回应“虽在限制地带，倘或被人阻止进行，即‘日军亦不惜击之’等语”。郭松龄虽然嘴上强硬，但其实局势进展诸多不顺。
李景林虽然并未给他造成严重的影响，但是却拖住了冯玉祥的部队，使郭、冯并没有实质联手。虽然一度进攻到奉天城外，但战事持续的时间远远超出他的预期，郭松龄部的官兵衣衫单薄，在寒冬作战本就不利，日方又控制了铁路线，使郭松龄的兵车不能运送部队和枪械，机动性大打折扣。加之因为战局被拖延，使得吴俊升自黑龙江驰援而至，加上奉天城外的日军，双方的形势很快就发生了变化。
因为日方干涉，郭松龄部在抵达巨流河之后，几乎再也无法向前推进半步。郭松龄部只得和张作霖的奉军隔巨流河对峙，此时张作霖方面的军力已经有所增强，除了张作相和张学良部，吴俊升也率领黑龙江的部队驰援而至，可以说郭松龄已经错过了攻入奉天的最好时机。加上日方暗中帮助张作霖，而李景林也拖住了冯玉祥，郭松龄已经陷入了困境。但此时箭在弦上，郭松龄已经无从选择，1925年12月21日，郭松龄下达总攻击令，向巨流河东岸的奉军阵地发动了全线进攻。
奉军的总兵力已经超越了郭松龄部，在骑兵方面也占据优势，只是在炮兵方面比郭军稍逊。巨流河掀起战事以后，双方便展开炮击。张作霖以奉军炮兵第十四团为主力，将兵工厂里所有大小口径的炮都搬出来，由大骡车运到巨流河东岸的炮兵阵地上，每门炮配发300发炮弹，全数倾泻在郭松龄部的阵地上。同时，据时任奉军炮兵司令部参谋长的廖安邦回忆，张作霖还雇用了很多日本人做炮兵，“这些日本人约有二百人，是张作霖的日本顾问荒木贞夫在奉天日本车站找来的一些退伍军人”。
除了这些，日方还向张作霖提供了足够一两个月之用的军械、弹药，使奉军在作战时完全没有后顾之忧。少帅张学良更是亲抵前线坐镇，有代张作霖“御驾亲征”的感觉，从而使前线作战的奉军更为勇猛。23日趁着天色未亮，吴俊升率领两个师的骑兵偷袭了郭松龄部的后方重地白旗堡，焚毁了郭松龄部的粮秣、枪械和弹药，使得郭松龄部遭遇重大损失。时值隆冬，郭松龄部又是破釜沉舟作战，已经毫无退路，如今至关重要的粮草又被焚毁，郭松龄部的军心至此动摇，战事向着对奉军有利的方向发展。
24日晨，郭松龄在新民屯粮站召开军事会议，表示自己准备亲自到前线督战，但与会的将领都俯首不语。见到此情此景，郭松龄知道大势已去，便长叹一声散会。随后召集身边的高级将领，宣布拟率一部突围，以霁云军长收拾残部，向沟帮子方向转移。郭松龄部署完毕之后，便与其夫人韩淑秀、秘书处长饶汉祥、政务处长林长民等率一连200余名卫队士兵出走，参谋长邹作华便以东北国民军总司令部的名义，命令各军停止攻击。并急电张作霖，报告郭松龄已经出走，给张学良打电话，“请军团长放心”。
张学良接到邹作华的电话以后，即带卫队跨过巨流河，进入新民屯，召见郭松龄部的高级将领，抚慰伤亡。郭松龄部的官兵原本都隶属于张学良，张学良是正职，郭松龄是副职，张学良身兼数职又信赖郭松龄，所以将部队的指挥全权委托给郭松龄，郭氏才成为这支部队的实际指挥者。如今张学良过来接收部队，也不对所部官兵过多责备，就像是回到家中一般，郭松龄部的官兵也欢迎少帅来接收部队。
战事结束之后，黑龙江督军吴俊升、吉林督军张作相进入奉天省城，与张作霖商讨处置郭松龄部。士官系此时主张从严发落，甚至有人认为应当将郭松龄部的主要将领一律处决。但吉林督军张作相认为，此时最重要的是安抚人心，不宜多造杀戮，而且张学良既已收编部队，也不会再产生异动。这一年张学良虽然只有25岁，但素来在军中有极高的声望，加上在两次直奉战争和讨伐郭松龄倒戈中建立功劳，其影响力已经直追张大帅。
吴俊升指挥的东北骑兵穆春师和万福麟师主要在铁路以南的新民、辽中一带活动，穆春有两个旅，骑兵第一旅旅长徐永和和骑兵第七旅旅长王永清率部在郭松龄部的后方活动，主要是围剿郭松龄部的败兵，并追击败逃中的郭松龄部。也是歪打误撞，骑兵第七旅第二十五团团长郭宝山率部走错了路，走向了小苏家屯方向，结果与郭松龄卫队相遇。在郭宝山部迫击炮的轰击下，林长民死于当场，卫队缴械投降，饶汉祥跟着一名勤务兵趁乱出逃，郭松龄夫妇只能藏到一个地窖里。
郭宝山在卫队的大车上翻出了有上将肩章的军服，便断定郭松龄不会走远。王永清抵达以后，派郭宝山的一个团去寻找郭松龄，自己则留在小苏家屯休整。结果由一个村妇的口中获悉，在她家后院的萝卜窖里藏了一男一女，王永清便带人去搜萝卜窖，从而捕获了郭松龄夫妇。穆春得到消息赶到小苏家屯，决定将郭松龄夫妇带到老达房，同时打电话给张作霖请示如何处置郭松龄，张作霖表示将郭松龄带到奉天省城。
就在郭松龄兵败之际，本来和冯玉祥、郭松龄联手，后来却倒向奉系的李景林被冯玉祥部杀得大败。此时奉军虽然战胜了郭松龄部，但元气已然大伤，也无力南下驰援李景林。李景林只能眼看着所部被击溃，自己逃入天津租界，残部则退入张宗昌督军的山东界内。1925年12月25日早，张作霖的上校副官高金山带着卫队抵达老达房，表示张作霖原本是要将郭松龄押解到奉天去，但是在他奉命赶到辽中时，突然又接到张作霖的电报，让他们就地处决郭松龄。经过商讨，高金山和穆春决定对郭松龄进行审讯之后，再予以处决。
面对高金山和穆春的审讯，郭松龄陈述自己反奉是因为“少数人想当督军而带兵进关打仗，致使东北人民受到穷困，‘奉票’毛荒，给东北人民增加了严重的负担”。不过，这显然不尽是郭松龄的心里话。就在高金山赶到老达房之前，穆春曾派东北骑兵第十四师中校参谋兼作战科长房书溪找郭松龄进行了一次彻夜长谈，房书溪是郭松龄任讲武堂教官时的学生，平素与郭松龄关系极好，穆春派房书溪去见郭松龄，是希望能够问出一些“心里话”。
郭松龄说给房书溪的话，确实要“私房”得多，他向自己的学生直陈自己反奉“原因很多，主要就是为杨宇霆一人”。郭松龄对房书溪的谈话，后来由穆春交给张学良，郭松龄的反奉固然是因为公仇私愤，但他对东北局势的分析却颇为准确，“日本的田中义一继承伊藤博文的大陆政策，矛头是对着东三省的，朝鲜、旅大就是进攻东北的根据地。我们全部力量进关，日本一旦发难，东北三省非我所有矣！那时我们必然弄成进退维谷的局面”。后来张作霖听任杨宇霆建议举兵入关，果然被北伐军逼得进退维谷，最终落得一命归天。
话说回来，高金山审讯完之后，就由东北骑兵穆春师上校参谋处长萧兆麟取出纸笔交给郭松龄，让郭松龄写下遗书。郭松龄的遗书是写给张学良的，“汉卿弟：兄夫妇愿速死，请按左项办理：（一）兄为国为民而战，主倡一切，勿罪部下。（二）兄历年所经营之动产和不动产，请由鲁（鲁穆庭）、沈（沈振荣）、张（张振鹭）三位军需官核清，除还债外，尽数捐同泽同学。（三）……”郭松龄最终没有写出第三条，这封未竟的信函由穆春带回奉天。
房书溪将郭松龄谈话的笔录交给张学良，张学良看过之后，又问了一遍郭松龄被擒的经过，随后长叹一声。但张学良对郭松龄的感情笃深，仍想着救郭松龄一命，于是急命秘书处长刘鸣九致电高金山等人，将郭松龄夫妇接来他所在的兴隆司令部。当时张学良的主意是救下郭松龄以后，“送到国外去深造”，但电报还未来得及发出，便已经传来郭松龄被杀的消息，张学良闻讯顿足捶胸，连连叹息“完了”。
郭松龄夫妇是在当日上午10时遇害的，高金山将二人押至辽河岸边。在行刑之前，郭松龄曾对妻子韩淑秀说：“吾倡大义，出贼不济，死固分也；后有同志，请视此血道而来。”而韩淑秀则回答丈夫说：“夫为国死，吾为夫死，吾夫妇可以无憾矣，望汝辈各择死所。”遂双双被枪决，彼时郭松龄年仅42岁，韩淑秀年仅34岁，枪决之后高金山将他们的尸体装车拉回奉天。
韩淑秀女士是著名的进步女性，毕业于燕京大学，为人“勤俭木讷、沉毅多智”，虽然张学良的随军夫人不过是个传说，韩淑秀却追随在郭松龄的左右，而且经常帮着郭松龄出谋划策。另外，韩淑秀还是著名的社会活动家，亲自组织创办贫民学校、家庭妇女补习班、拒毒会，为贫苦人民募集衣物等社会活动，“颇有声于社会”，李坚白认为韩淑秀的死“实吾国女性之大不幸”。
郭松龄夫妇的尸体被运回奉天之后，张作霖命令在小河沿体育场暴尸三日示众，并将遗体拍成照片各处张贴，传示东三省各市县。但郭松龄到底曾为张作霖出生入死，所以张作霖派人洗净了郭松龄夫妇身上的血迹，换了新衣服，暴尸的地方也用席子围住。而对于总部送往各部传示的郭氏夫妇照片及文件，张学良都批示“以火焚之”四字，所以在奉系的政府中几乎见不到郭氏夫妇尸体的相关文件。
张作霖虽然将郭松龄夫妇暴尸以起到“杀一儆百”的效果，但全国民众却非常同情郭松龄，“莫不为公扼腕”，甚至在北京、日本等处，还召开了盛大的追悼会。而被郭松龄请到军中的饶汉祥，在逃跑的路上也被奉军抓捕，不过因为饶汉祥平素不修边幅，长得又骨瘦如柴，奉军也认为他不过是一个普通师爷。此时恰巧奉军中缺少一个会写字的人，就将他扣下随军做点儿抄写工作，这样提心吊胆地过了半个月，才瞅准机会逃回关内。