张作霖在出任蒙疆经略使时，以亲征外蒙为名，将奉军扩编为十个混成旅。在这次扩编中，张学良、郭松龄均被晋升为少将，一个担任第三混成旅旅长，一个升任第八混成旅旅长，两旅组成联合司令部，合称“三八旅”。
张学良名为旅长，但人常在总司令部参赞，联合旅的行政、训练均由郭松龄负实际责任。张学良自己也乐得卸责，对外声称：“我就是郭茂宸（郭松龄字茂宸），郭茂宸就是我。”
张学良懒得抓军队，郭松龄则是求之不得。他对联合旅实行了一系列改革，除实行精兵主义，裁汰匪兵、兵痞外，还对军官量才录用，一遇部队官佐出缺，即择优升补。奉军在未经整理之前，人事制度极不健全，护兵警卫是进身之阶，亲戚好友是升官标准。只有联合旅是按一定制度晋升，这样较为完整的人事制度，保证了军无怨言，因为一旦军官出缺，大家都知道应该由谁提升补缺。
郭松龄把“三八旅”训练成奉军精锐，是开了奉军正规化的先河，当时所谓东三省新军，指的就是郭松龄所练之兵。作为“三八旅”声名在外的另一个最大受益人，张学良不仅被外界视为奉军中的新派首脑，他在军界的地位也相应得到巩固，时人皆称其为“少帅”。
民初那些叱咤风云的重要人物，父辈再怎么英雄盖世，后代都少有能成才的，像袁世凯的长子袁克定还是个“坑爹”货，活生生就把老子给坑死了。段祺瑞的长子段宏业与张学良同被列入民国“四公子”之列，但在军政方面一无建树，身上没有一点其父的才能与魄力，以致段祺瑞要么不提他这个儿子，一提起来就很生气。与这些窝囊废般的公子哥相比，张学良显得格外突出，也令人眼羡，连段祺瑞的部下、皖系大将魏宗翰都曾为自己的老大叫屈：“张学良才十九岁就当旅长，固然是沾他父亲的光，但总有相当的军事知识和带兵能力，怎么段大少爷（指段宏业）就不行呢？”
在直奉战争中，张学良被任命为东路第二梯队司令，郭松龄与“三八旅”列入该梯队序列。开战之初，郭松龄即率部一举攻下胜芳镇，日本所办的《盛京时报》以大字标题进行报道，谓之“攻下胜芳之胜将郭松龄”。及至奉军全线大败，各旅都被打得支离破碎，唯有“三八旅”等部败而未溃，仍保持着完整编制。
当奉军在山海关集结时，张学良已逃回奉天，他给郭松龄写信，信中说：“方今势危时迫，榆关（即山海关）可守则守之，否则请退处一隅，养精蓄锐，以待再举……望勿逞愤一时，置全军于不顾也。”
按照町野的总结，张作霖最大的特点是不怕死，富于决断力，即便吃了这么大一个败仗，仍要在滦州或山海关组织抵抗。张学良来信的意思则跟他老子完全相反，其实就是要郭松龄保存实力，把“三八旅”撤往关外。接信后，郭松龄颇费踌躇，想想张作霖新败，要找个借口敷衍他或许不难，怕就怕吴佩孚紧追不放，乘势对奉军予以歼灭性打击，须知，溃退部队是最没有战斗力和抵抗力的。
犹豫了半天，郭松龄派了个密使去见吴佩孚，要求停战，条件是他将联合各军，逼迫张作霖下台，“三省交由人民自治”。谁知打了胜仗的吴佩孚尾巴翘到天，根本就不予理会。被吴秀才打了脸后，郭松龄又羞又怒，遂联合李景林第三梯队在山海关组织防御。
直军以破竹之势追到山海关，满以为奉军已成乌合之众，可一举攻入关外，捣毁奉张的老巢，不料却在山海关石门寨一线遭到“三八旅”王升文团的猛烈抗击。王团战斗力之强，远远超出曹、吴意料之外，结果虽然团长王升文阵亡，全团官兵也损失甚重，但毕竟阻击了直军的攻势，稳住了整个奉军的阵脚。与此同时，李景林第三梯队也打得不错，直军的进攻锋芒受到极大挫折。
山海关战役虽然主要是由郭松龄、张景林实际指挥，但张学良却是名义上的战场最高指挥官，等于又不花力气地拿到了功劳，他对此很得意，后来回忆说：“第一次直奉战争时，奉军所有部队都被打垮了，就我指挥的部队没有被打败，不仅没被打败，还把吴佩孚的军队给打了，我就是这样起来的。”
山海关战役的胜利只是让奉军喘了口气，并无力量反击或与直军大打出手，于是张作霖借着取胜之机，托人请英国公使和传教士出面调解，欲与直系议和。经此一战，曹、吴认识到张作霖仍拥有实力，并不是他们想灭就能立刻灭得了的，而且直军大部队在追到山海关时同样已精疲力竭，遂也决定见好就收。
1922年6月16日，张学良与直方代表王承斌会晤于秦皇岛车站。次日，双方即在秦皇岛港英舰上正式签订了停战和约。