自1920年初起，直皖之间的矛盾越发突出，而矛盾发展至徐树铮和吴佩孚先后被对方逼迫政府下令免职，意味着双方的矛盾已不可调和。因此，自7月初徐树铮与吴佩孚免职令下后，北京政坛风云突变，形势急转直下，直皖两派摩拳擦掌，准备以武力解决问题。由勾心斗角的政治交涉到武力交锋的兵戈相向，前后不过一周，战争即打响了。

直皖战争爆发前，就军事而言，直皖双方可动用的部队数量差别不大，主要是在京畿周边及其邻近之山东、河南两省的部队，外省如皖系陕、皖、浙、闽，直系苏、鄂、赣的部队均难以长途调运，但皖系部队中的边防军武器装备较好，还有重炮队及航空队，不过其军事素质似不如直军；就态势而言，双方各有优长，皖系主力部队多集中在京畿附近，较易控制使用，而直系部队沿京汉线形成长阵，后勤及增援不如皖系便利，但因奉系部队入关，形成对皖系侧翼的威胁，这是皖系态势的不利之处；就经费而言，皖系控制了政府财政，又得到新交通系的支持，作战经费相对较为充足，直系则主要依靠其控制地方的筹款；就对外关系而言，日本倾向于支持皖系，但皖系亦受累于其亲日做派，较少得舆论及民众的支持。综合比较，皖系对直系似仍稍占优势。

自7月初起，直皖双方都是剑拔弩张，战争一触即发。7月8日，段祺瑞召开皖系将领军事会议，将所部命名为“定国军”，自任总司令，徐树铮为总参谋长，并决定作战部署：以京奉路京津段为东线，由徐树铮指挥，以第9师及1个混成旅部署在落垡、廊坊一线，用以对付奉军，并进攻天津直军，再沿津浦路南进，与自山东北进之边防军第2师对直军实行南北夹击，同时威胁京汉路的直军主力；集中主力边防军第1、第3师及第15师部署在西线京汉路京保段的涿州、琉璃河、良乡一线，由段芝贵指挥，准备与直军决战，并与自湖北北上之吴光新部、自豫陕边境东进之西北军两个混成旅对直军实行南北、东西夹击；第13师居间策应东西两翼。

也是在7月8日，曹锟、吴佩孚、张作霖等在天津集议时局。吴佩孚力主开战，认为“就实际上论，段派所恃者仅边防军，该军成军以来，未经战阵，经验缺乏，且闻所用军官多系学生，颇有思想，决不肯效忠奸党，与同胞为难，一临战地，溃散立见”；“即万一战而不胜，我军扼守京汉路线，联合西南，以直省为前敌，河南为中坚，湘粤为后盾，徐图进取，更有张巡阅使控制东北，则段派直如瓮中之鳖，又何虑哉！”吴佩孚为曹锟倚重的头号大将，他既有此言，则直系战意即决。9日，直系首领曹锟在天津设立大本营，任第4混成旅旅长曹锳为东路总指挥，率两个混成旅守杨村；任吴佩孚为前敌总司令兼西路总指挥，设司令部于高碑店，集中第3师及两个混成旅，部署在易县、涞水、涿州、固安一线，抵挡京汉路当面皖军，这是直军的主要战线；同时令河南直军及赵倜所部阻击湖北皖系吴光新部北进与豫陕边西北军东进，令河南赵倜所部出兵山东德州，阻断皖系自山东沿津浦路北援通道。11日，张作霖回奉天后召开东三省军政长官会议，决定先派二旅入关，进可威胁皖系后方，退亦可保东北。据他在12日对日本军人所谈：“对目前北京政局，彼决心完全与直隶派共同行动。对段祺瑞虽无私怨，但为国家，须援助大总统，讨伐皖派。”

7月12日，曹锟、张作霖与直系各督王占元、李纯、陈光远、赵倜等联名发表声讨通电，责段祺瑞“发号施令，无非倒行逆施之举。似此专横谬妄，实为全国之公敌。”表示：“对此衅起萧墙，无术挽救，迫不得已，惟有秣马厉兵，共申义愤，纾元首之坐困，拯大局于濒危，扫彼妖氛，以靖国难。”次日，段祺瑞亦发表讨曹吴檄文，责曹锟、吴佩孚“目无政府，兵胁元首，围困京畿，别有阴谋。……今先尽京畿附近各师旅，编为定国军，由祺瑞躬亲统率，护卫京师，分路进剿，以安政府而保邦交，锄奸凶而定国是。歼魁释从，罪止曹锟、吴佩孚、曹锳等三人，其他概不株连。其中素为祺瑞旧部者，自不至为彼驱役。即彼部属，但能明顺逆识邪正，自拔来归，即概行录用。其擒斩曹锟等献之军前者，立予重赏。”

7月14日，徐世昌发出大总统令，要求各路军队遵命退驻原防，但直皖两系均无人买他的账，曹锟对前往调停的张怀芝等人说了一席话，颇为形象地反映出军阀以枪杆子定胜败的心态与现实：“曹曰：要我罢兵，除非将段、徐两个脑袋，号令都城，则我与佩孚当自缚至京，赴阙请罪。张等答以胜败未分，正不知鹿死谁手，请以息争为上。曹云：我若败绩，我与佩孚两个脑袋，自割下来，送至北京。我与你俱是老朋友，劝你休要管这闲事。”

直皖战争于7月14日全面爆发，两军首先在京汉路涿州、琉璃河一线摆开战场。15日，皖系军队在优势炮火支持下占领涿州，直军退至高碑店。然次日“天降暴雨，拒马河水大涨，涿州迤南地势甚低，平地水深四尺以上。皖军后方，交通断绝，各师饷糈不能接济，所存粮草，被水浸湿，不能应用。前敌士卒，浸入水中，一日无食，军心慌乱。”吴佩孚乘隙调军抄袭皖系军队后路，打乱其阵形，再以正面压迫，致其全线失守，部队一败而不可收，直军复占涿州。皖系第15师“原属冯国璋部队，乃直系嫡派，其官兵皆籍直隶，惟师长刘询自冯故后，倾向合肥无异心，其余军官均已密受曹、吴运动”，此时大部投降直军。同日，直军自固安出击，击溃当面之边防军第3师，仅余之边防军第1师势处孤立，军心涣散，于17日被直军在涿州以北击败，师长曲同丰随后被捕获。西线皖系总指挥段芝贵已无兵可用，狼狈逃回北京。18日，直军进至琉璃河，20日进至京郊长辛店，西线战事结束。

津浦路一线战事不及西线激烈。开战后，徐树铮指挥所部与直军在杨村交战，因日本助皖，干扰直军布防，直军不得不于16日撤出杨村。旋因得奉军所助，士气重振，直奉两军联合作战，于17日复占杨村，进逼廊坊，徐树铮亦逃回北京。20日，东线战事基本结束。

直皖战争自14日打响，为时不及一周，皖系即在东西两线遭遇全面失败，事实上已无法继续再打。段祺瑞知形势之严重，遂向徐世昌请求下令停战，并于19日发表通电，表示：近日迭接外交团警告，以京师侨民林立，生命财产极关紧要，战事如何延长，危险宁堪言状。应令双方即日停战，迅饬前方各守界线，停止进攻，听候明令解决，……当即分饬前方将士一律停止进攻在案。查祺瑞此次编制定国军，防护京师，盖以振纲饬纪，初非黩武穷兵。乃因德薄能鲜，措置未宜，致招外人之责言，上劳主座之念。抚衷内疚，良深悚惶。查当日即经陈明，设有谬误，自负其责。现在亟应沥情自劾，用解愆尤。业已呈请主座，准将督办边防事务、管理将军府事宜各本职，暨陆军上将本官即予罢免，并将历奉奖授之勋位、勋章一律撤销，定国军名义亦于即日解除，以谢国人，共谅寸衷。随着皖系主力在直皖战争中失败，皖系其他部队也受到打击和清理。7月16日，被段祺瑞寄希望率部自豫南沿京汉路北进夹击直军的吴光新在武昌被鄂督王占元扣押，吴部开赴河南信阳的两个旅被直军缴械，留驻湖北宜昌、沙市的两个旅宣布中立，实则脱离皖系。被段祺瑞寄希望自豫西东进夹击直军的驻洛阳西北军两个混成旅，在直军严密监视下未敢东进，战后被解除武装，部队溃散。被段祺瑞寄希望自鲁西沿津浦路北进夹击直军的边防军第2师，开战后于20日进至德州，皖系失败后，在直军进击下节节败退，后被遣散。

直皖战争是北洋军系崛起并自民初控制北京中央政府之后爆发的第一场大规模派系间战争，虽然战前皖系的实力略优于直系，但战争的结果却以皖系的迅速溃败而告终。究其原因，首先是皖系部队的素质逊于直军，其所依赖之主力——边防军虽然武器装备较好，状似劲旅，但毕竟编成不久，从军官到士兵均缺乏作战经验，不能在胜利时扩大战果，在失利时坚持不懈，其弱点当作战顺利时尚不明显，而当作战失利时则表露无遗。边防军“上、中级军官，除来自军队者外，多是保定军校的教职员，也就是说，讲战术原则还可以，讲应用则缺乏实战经验。而初级军官，多数是保定军校才毕业的学生，经验更是缺乏。这样一个学生班子的军队，一遇情况发生，头脑不够冷静，缺乏明确的判断，若遇复杂而困难的局势，更缺适机的处置。如在前有敌阻、内有顾虑的情况下，迟疑不能前进，不但贻误了战机，而且导致奉军与直系合作”；相比较之下，在多年南征北讨中富于实战经验的直军，虽然战争初起时并不居优，但在顶住皖系最初的攻势之后，旋转守为攻并不断扩大战果，逼迫对手，致其军心涣散，稍遇挫折即溃败而散。其次为皖系部队之指挥逊于直军，皖系西线指挥官段芝贵消极保守，缺乏进取心，东线指挥官徐树铮并无实战经验，却言大而夸，两人均不及直系战将吴佩孚久历戎行，敢打善战，战略得当，战术灵活，而且在不利情况下，段、徐均未以身作则在前线坚守指挥，而是丢弃部队，率先退往京城，使得皖系部队“后方发生混乱，指挥联络全失，致情况更加恶劣”；而且上行下效，皖系部队各级军官在形势不利时脱离战场者不在少数，大大影响了部队的军心和士气，也表现出段祺瑞作为皖系首领之不能知人善任。再次，皖系多年主政，控制北京政府，表现高调强势，在北洋派系中积怨不少；而直系刻意放低姿态，广泛接纳盟友，不仅得到奉系的公开支持，还得到西南方面的暗中相助；即便是原先与皖系比较接近的大总统徐世昌最后也倾向于直系，从而形成了反对皖系的联合阵营，使皖系在开战后难以得到其他派系的支持，旋因其孤立无援而败。最后，皖系因其亲日政策尤其是在巴黎和会中国外交的失利而颇为社会各界所责，形成了不利于皖系的社会舆论，如直皖开战后上海商业公团联合会、上海各路商界总联合会等通电所言：“数年来，国人受安福党人祸国殃民之毒害，农工商学无日不企望国民年出数千万膏血所养之国军，起而为民除害。……试观年来对外密约，卖路、卖矿，何一非出于安福党人之手。使非绝其根据，国家之主权，将永受他人束缚。”由此也间接导致了皖系部队内部军心不稳，将无斗志，兵无士气。不过，也如被捕之皖系大将曲同丰所言，此战为“同室操戈，自相残杀，无谓阋墙之争，难免遗笑”；“实不过为争私忿，并无其他目的”。