西安事變和平解決後，1936年12月25日，張學良送蔣介石回南京，從此一去不復返，於是轟轟烈烈的壯舉之後便揭開了千古遺恨的悲劇序幕。近20萬東北軍群龍無首，並在主戰主和問題上發生嚴重分歧，最後竟發展到內部殘殺。
張學良
張學良與東北軍將領
1937年2月2日，不顧大局的東北軍少壯派應德田、苗劍秋、孫鳴九等人殺死東北軍元老派67軍軍長王以哲、西北總部參謀處處長徐方、副處長宋學禮和交通處長蔣斌等人。血案發生後，王以哲的至交、第105師師長劉多荃為了替王以哲報仇，將部隊開進西安搜捕少壯派軍官，誘殺了對促成東北軍聯共抗日有功的旅長高福源，致使內部殘殺的悲劇愈演愈烈。
東北軍少壯派殺害的67軍軍長王以哲
危急關頭，中共代表周恩來苦口婆心多方做工作，才避免了事態的進一步擴大。1937年3月東北軍高階將領輕率地接受了蔣介石提出的東北軍東調的“乙案”，鑽入了各軍不相統屬、部隊分割使用的圈套。東北軍遂東調，分駐豫南、皖北、蘇北地區。4月到6月，南京政府對東北軍進行整訓、縮編，化大為小，化強為弱，由每軍四師的甲種軍縮編成每軍二師、每師二旅的乙種軍編制，僅騎兵第2軍保留三個師。
整編後的東北軍有6個軍：
第49軍
第49軍軍長劉多荃，轄第105師(師長高鵬雲)和第109師(師長趙毅);
第49軍軍長劉多荃
1937年8月中下旬，日軍開始沿津浦路大舉南犯。劉多荃率第49軍進駐滄縣及靜海附近。8月21日，由日軍第10師團步兵第10聯隊主力組成的右側掩護隊，開始向靜海前進。49軍之一部立即加以阻擊，與敵發生激烈戰鬥。日軍以猛烈的炮火向靜海轟擊，49軍守軍奮力抵抗不支，被迫向南撤退。
1937年10月底，49軍被調到淞滬戰場。105師在錢江弄、江橋一線堅守陣地，遭到日軍重火力猛攻，626團團長顧忠全陣亡，該團一營傷亡過半。109師在紀王廟、馬同橋一線與數倍日軍苦戰，四個團長中高睦姻、姜奎舉等三個團長相繼陣亡，營長傷亡了2/3。109師一個整師基本打光了。
淞滬會戰
儘管第49軍損失慘重，但蔣介石在戰後根本不理睬其整補的要求。萬般無奈之下，劉多荃帶著109師師長趙毅親自到武漢去活動，花了好大一筆錢才打通了門路，調來了全部徒手的預5師補充109師。預先講好條件，趙毅仍為109師師長，原預5師的團長以上主官全部留任。劉多荃將張學良當年留用的一部分武器裝備該師。補充後的109師一式捷克式步槍，每連六挺捷克式輕機槍，每營配有重機槍連，團有迫擊炮，堪稱裝備精良的生力軍。
然而劉多荃、趙毅高興得沒多久，在一次下命令讓109師開拔時，原預5師留任的四個黃埔生團長全部告長假，部隊一點也開不動。事情反映到蔣介石那裡，蔣介石非但不處分故意搗蛋的團長，反而藉機將趙毅撤職，換上了嫡系李樹德，劉多荃任命的其他東北軍軍官也都被撤換掉，接著又將109師劃歸第1戰區劉峙指揮。49軍的一個整師就這樣被剝離。1939年大批日軍猛攻南昌，劉多荃率部守禦松山、萬家埠一線。由於修水作戰失利，又被蔣介石借題發揮，揪住不放，對49軍大加撻伐，劉多荃由中將軍長降為上校軍長;105師師長王鐵漢撤職留任，責令戴罪立功;副軍長高鵬雲、參謀長秦靖宇相繼調離，另派中央嫡系林耀堂和凌振倉分別繼任。誰能料到，東北軍整整一個第49軍就此名存實亡了!
1941年12月，王鐵漢升任第49軍軍長。1947年9月，第49軍被調往東北參加內戰，後來在遼瀋戰役中被人民解放軍全殲。王鐵漢在大陸解放前逃往臺灣。第49軍前軍長劉多荃則留在大陸，全國解放後曾任政務院參事室參事和全國政協委員。
第51軍
第51軍，軍長於學忠，轄第113師(師長周光烈)和第114師(師長牟中珩);
第51軍軍長於學忠
1937年8月，第51軍被調往山東，負責海防守備，于學忠任第3集團軍副司令兼第51軍軍長。1938年1月升任第3集團軍總司令，不久又改任第5集團軍總司令。
1938年1月，日軍調遣16個師團共計23萬兵力，沿津浦鐵路一南一北，分兩路夾擊戰略重地徐州。于學忠以51軍兩個師的兵力約2.5萬人，死守蚌埠，血戰臨淮關，頂住了日軍3個師團共計4萬人的瘋狂進攻。在連續8天的防守中，51軍傷亡七千餘人，但他們守住了淮河，日軍的傷亡達九千人以上。
淮河戰役後，于學忠率領疲勞之師增援臺兒莊，任中央兵團副總指揮，在率部智取韓莊、爭奪賈家埠、血戰禹王山的戰鬥中再立戰功。徐州撤退時，于學忠率部殿後，該部被敵人分割包圍，切成數段，但他指揮部隊浴血奮戰，終於殺出重圍，勝利完成了掩護任務，受到第5戰區和國民政府軍事委員會傳諭嘉獎，並晉升為一級上將。l938年6月，51軍奉命參加武漢會戰，于學忠任第3兵團副總司令兼第5集團軍總司令，在大別山麓與日軍激戰。武漢失陷後，于學忠率部開往大別山打游擊，襲擊敵人後方，並在金家寨一帶進行休補。
武漢會戰
1939年2月，于學忠被任命為魯蘇戰區總司令，指揮東北軍51軍、57軍到魯南山區打游擊。此間他不再兼任51軍軍長職務，114師師長牟中珩升任軍長。從1939年到1943年，在魯南抗戰5年中，于學忠部傷亡慘重。
1944年3月，于學忠被免去蘇魯戰區總司令的職務，任國民政府軍事參議院副院長，從此失去軍權。牟中珩在1944年12月調任第10戰區副司令長官後，原113師師長周毓英繼任第51軍軍長。
解放戰爭時期，第51軍被改為整編第51師，周毓英任中將師長，駐守棗莊。1947年1月，周毓英率整編第51師師部向我華東野戰軍投降。牟中珩在1946年出任第二綏晉區副司令，1948年9月在濟南戰役中被俘。1949年初，蔣介石曾脅迫於學忠去臺灣，在中共地下黨人的幫助下，他避居四川重慶鄉間。建國後，于學忠曾任第一屆全國政協委員、國防委員會委員、河北省人民委員會委員、河北省體委主任等職。
第53軍
第53軍，軍長萬福麟，轄第116師(師長周福成)和第130師(師長朱鴻勳);
53軍軍長萬福麟
“七七”事變後，萬福麟任第1集團軍副總司令兼第53軍軍長，負責平漢線以北永定河及大清河一線的防守。在日本侵略軍的猛烈攻擊下，萬部損失慘重，被迫退出戰場，孤軍遊擊於太行山區。1939年2月，萬福麟重整部隊，參加了豫北、豫東的對日作戰。6月，武漢會戰開始，萬福麟任第26軍團軍團長兼第53軍軍長，負責防守德安、星子一線。9月，在鄂東南大冶、陽新一線抗擊來犯日軍，苦戰數日，敵人受到重創，其本部亦傷亡慘重。武漢會戰後，第53軍奉命休整補充，萬福麟調赴重慶任國民政府軍事委員會委員，軍長職務由周福成接任。
1943年，53軍被編入遠征軍第20集團軍對日作戰，為打通中國雲南至緬甸的國際交通線滇緬公路作出了突出貢獻。
遠赴緬甸作戰的中國遠征軍
解放戰爭時期，1948年11月，周福成在遼瀋戰役中率53軍官兵投誠。萬福麟則在1949年逃往臺灣。原53軍副軍長黃顯聲，在西安事變後為營救張學良將軍奔走呼號，1938年被國民黨逮捕，1949年11月27日在重慶被國民黨特務殺害。
值得一提的是，1937年10月10日，第53軍116師346旅691團在華北戰役中完成掩護主力部隊撤退任務後，與大部隊失去聯絡，在團長、共產黨員呂正操的帶領下，於晉縣小樵鎮改編為人民自衛軍，毅然北上在冀中平原打游擊。後來這支部隊正式編為八路軍序列。呂正操建立的冀中平原抗日根據地，在反“蠶食”和反“掃蕩”鬥爭中，創造了平原游擊戰爭史上輝煌燦爛的一頁。
第57軍
第57軍，軍長繆徵流，轄第111師(師長常恩多)和第112師(師長霍守義);
第57軍第111師師長常恩多
1937年11月，繆徵流的第57軍奉命駐防南通、啟東、海門、如皋、靖江一線的江防要點。112師在無錫附近與敵接戰，緊接著又參加了鞏衛江陰、固守鎮江的戰鬥，損失較大，師長霍守義負傷，全師撤往江北。12月10日，112師開赴南京前線。12日，日軍向南京發起總攻，112師671團、673團在南京城北長江一線陣地阻擊日軍，傷亡慘重。第112師副師長李蘭池在率隊衝鋒時於南京太平門附近中彈壯烈犧牲，後被國民政府追諡為少將。
11月間，第57軍的第111師在靖江、揚州一線抗擊登陸日軍，打響了靖揚之戰，幾次戰鬥均極為激烈。11月25日拂曉，日軍以猛烈炮火轟擊長江北岸111師陣地，佔領施家橋，掩護大批日軍登陸，旋又佔領了都天廟。111師333旅的萬毅部全部退守橫溝橋。上午8時，日軍沿揚州城公路向333旅陣地衝擊，111師師長常恩多親率兩營官兵與敵浴血奮戰。酣戰之際，常師長又果斷地命令662團出擊，連續擊退日軍步兵的三次反攻。日軍遂調來坦克在前面開路，後繼以步兵再次衝向111師陣地。常師長指揮士兵以平射炮和集束手榴彈向敵坦克猛轟，並以猛烈火力向日步兵射擊。戰至下午4時，日軍狼狽逃竄。111師乘勝追擊至施家橋。
1938年3月，在臺兒莊戰役中，57軍的333旅奉命馳援守衛山東臨沂的龐炳勳部。面對日軍精銳坂垣師團，333旅官兵毫不畏懼，血戰15晝夜，先後攻克敵人三個據點。戰鬥中，333旅傷亡官兵一千多人，有的營只剩下十餘人，有的連隊軍官全部傷亡，由軍士自動代理連長作戰，前赴後繼，戰鬥不止。日軍亦傷亡慘重，傷亡2000多人。為此，333旅受到會戰總指揮部的通電嘉獎，57軍亦通令全軍，稱之為“解臨沂之圍，壯本軍之譽”。
血戰臺兒莊
1939年2月，57軍被調到魯蘇戰區，在於學忠指揮下在敵後進行遊擊戰。在此期間57軍的高階將領開始走向反動。1940年9月15日，57軍軍長繆徵流同日軍代表談判，商定了“互不侵犯，共同防共”的秘密協定。這件事被111師師長常恩多和333旅旅長萬毅獲悉，常恩多和萬毅都是中共地下黨員，兩人秘密擬定了除奸方案。9月22日晚，常恩多和萬毅帶人抄了軍長繆徵流的軍部，抓獲了副軍長樸炳珊及與日軍簽訂協議的談判代表，繆徵流倉皇出逃。但蔣介石不僅不將通敵人員嚴辦，反而斥責常恩多“不識大體”，還撤銷了57軍番號，111師、112師直接由魯蘇戰區指揮，並陰謀瓦解111師。1942年8月3日，111師一部在常恩多、萬毅和魯蘇戰區政務處長郭維城的率領下，在日偽頑反共囂張的嚴峻時刻，毅然宣佈起義，參加八路軍。在奔赴解放區的途中，常恩多犧牲在擔架上。為維護統一戰線，起義部隊仍用第111師番號，師長為萬毅，副師長為郭維城。1944年10月20日，該部隊正式改編為八路軍濱海支隊，萬毅為濱海軍區副司令員兼濱海支隊支隊長。1945年8月，濱海支隊與其他山東的八路軍部隊組建成“東北挺進縱隊”，在縱隊司令員萬毅指揮下挺進東北。部隊克服重重困難，配合周保中同志率領的抗日聯軍，肅清敵偽勢力，建立民主政權。以後又和兄弟部隊並肩作戰，在解放戰爭中三下江南，四保臨江，血戰四平，參加了偉大的的遼瀋戰役、平津戰役，一直打到海南島。抗美援朝時又作為38軍的組成部分，在松骨峰戰役中痛殲美軍，打出了中國軍人的威風!志願軍彭德懷司令員在嘉獎通電最後特意加了兩句：“中國人民志願軍萬歲!38軍萬歲!”
第67軍
第67軍，軍長吳克仁，轄第107師(師長金奎壁)和第108師(師長張文清);
第67軍軍長吳克仁
1937年8月下旬，吳克仁滿懷報國之志昂然請纓，率67軍奔赴華北前線的河北大城，在西起姚馬渡、中經馬廠迄小衛莊一線構築陣地防守。9月1日，日軍第6師團在飛機、重炮掩護下，猛攻67軍的大城防線。吳克仁指揮全軍與敵血戰十日，日軍屢遭重挫無法前進。當日軍增派二十餘艘汽艇，載有山炮、機槍等重武器溯子牙河偷襲時，又被67軍預先埋伏在姚馬渡的部隊兜頭猛擊，第一艘汽艇首先被擊沉，後續敵艇也被分段截擊。日軍船隊雖憑藉重火器反撲，又派飛機助戰，但在67軍沉重打擊下，終於潰不成軍，被擊沉汽艇五艘，斃傷三四百人後狼狽逃竄。日軍惱羞成怒，又調集二十餘門火炮、五架飛機，出動三千餘人，於20日再次猛攻67軍正面。吳克仁親臨前線，指揮禦敵，敵我雙方竟至演成肉搏。67軍官兵終以重大犧牲壓倒敵焰，粉碎了日軍強大攻勢。大城防線鏖戰月餘，67軍以傷亡兩千餘人的代價重挫敵鋒，殲敵數千，並阻扼敵軍南犯，掩護了友軍安全撤退，受到最高長官部的通電嘉獎。
1937年10月底，淞滬戰場中國軍隊處於不利地位，蔣介石急從華北戰場抽調第67軍南下增援。11月5日，67軍臨危受命，協同第43軍郭汝棟部“搶佔松江，死守三日”，掩護主戰場上的中國軍隊撤退。8日夜12時，“死守三日”的軍令已經完成，吳克仁讓郭汝棟率百十人的43軍殘部先撤，他親自率67軍在後掩護。經一路突圍苦戰，9日下午吳克仁率部到達蘇州河邊白鶴港。不料蘇州河大橋被炸斷，吳克仁冒著敵機狂轟濫炸指揮屬下先行泅渡。傍晚時分突有一支日軍便衣隊襲至，交戰中吳克仁不幸中彈落水，光榮犧牲，時年43歲。這是抗戰開始後正面戰場上第一位為國捐軀的國民黨軍中將軍長!
淞滬會戰中的中國軍隊
整個保衛松江和突圍戰役，67軍光榮戰死的還有軍參謀長吳桐崗、師參謀長鄧玉琢、322旅旅長劉啟文、321旅旅長朱之榮和王熙瑞等八名團長以及絕大多數的營、連、排長，107師損耗殆盡，108師也傷亡慘重。然而令人憤慨的是，這樣一支忠勇報國的部隊，不僅沒有得到應得的褒獎表彰，卻被別有用心的宣傳機構誣衊為“吳克仁率部叛亂，67軍臨陣投敵”，蔣介石乘機取消了67軍番號，縮編為108師，師長為張文清，撥歸中央軍王敬久的第25軍。
後來，張文清升任第25軍軍長。1940年，108師參與了圍剿新四軍的皖南事變。解放戰爭時期，108師所在的25軍歸黃百韜指揮，淮海戰役期間，在大興莊、兩臺子、大小牙莊、碾莊等地分別被華野4縱、13縱先後打擊，直至全軍覆沒。
騎兵第2軍
騎兵第2軍，軍長何柱國，轄騎兵第3師(師長徐良)、騎兵第4師(師長王奇峰)和騎兵第6師(師長劉桂五)。
騎兵第2軍軍長何柱國
1937年8月下旬，騎兵第2軍調晉綏前線與日軍作戰。軍長何柱國率騎3師(騎6師在綏遠作戰，歸馬占山指揮！騎4師一直駐河北，1938年因缺少馬匹，騎4師被改為步兵第24師，至此騎4師番號被撤銷)從陝西經同蒲路北上，增援大同，歸第18集團軍總司令朱德指揮。大同失守後，騎兵第2軍退到晉西北平魯一帶抗日。9月下旬在井坪鎮一役中，騎兵第2軍被日軍擊潰，損失很大。1939年冬，騎兵第2軍奉令換防到豫皖邊的沈邱、項城一帶，歸第1戰區前方指揮官孫桐萱指揮。1940年，何柱國升任第15集團軍總司令，由騎3師師長徐良接任騎2軍軍長。以後騎6師歸還建制，又合併騎3師和騎6師，保留騎3師番號，由王照問的暫編第14師廖運澤部撥歸騎兵第2軍建制。1944年，徐良升為第15集團軍副總司令，騎兵第2軍軍長由非東北軍系的暫編第14師師長廖遠澤升任，騎3師師長王照騎2軍副軍長，所遺騎3師師長由徐長熙升任。
抗戰勝利後，騎兵第2軍開赴濟南。1946年，王耀武任第2綏靖區主任，將騎兵第2軍改為第96軍，仍以廖遠澤為軍長，所屬的騎3師改為暫編第15師，這樣，騎兵第2軍的番號不復存在，東北軍騎兵軍也就名實全亡了。何柱國在抗戰勝利後雙目失明，退役養病。建國後歷任全國政協委員、常委等職。
其他部隊
西安兵諫後叛離東北軍的第106師(師長沈克)、騎兵第10師(師長檀自新)、炮兵第6旅(旅長黃永安)、炮兵第8旅(旅長喬方)均依附蔣軍另立門戶。原由東北義勇軍編成的馮佔海的第63軍番號被撤銷，僅保留了第91師。另外，抗戰爆發後，馬占山還受命組建了一支新的部隊——東北挺進軍。
馬占山
在抗日戰爭和解放戰爭中，東北軍被蔣介石分割使用於各個戰場，逐步被削弱、肢解、消滅，也有一部分在戰場上起義，走向了新生。
建國後的1955年，中國人民解放軍第一次授銜時原東北軍出身的將領有25名被授予將銜，其中:
上將1人：呂正操;
中將1人：萬毅;
少將23人：解方、陳銳霆、賈陶、沙克、封永順、趙東寰、於權伸、趙承金、高存信、李覺、徐明、宋學飛、金振鍾、張志毅、楊有山、張加洛、羅文、紀亭榭、管松濤、郭維城、王振乾、江潮、張學思。
呂正操
萬毅
