1925年12月22日夜，郭軍向張軍的巨流河防線發起全線總攻擊。戰鬥十分激烈，槍聲連成一片就像颳風一樣，但與以往不同的是，郭軍的幾次強攻都未能得手。外間傳說，日本派一個師團的陸軍和百門大炮加入張軍防線，巨流河、興隆店一帶無處沒有日本兵，一些郭軍官兵事後便認定是與他們作戰的除了張軍還有日軍，所以仗才這麼難打。張學良的機要秘書劉鳴九親身參加了巨流河戰役，據他說，這是不符合實際的，因為整個巨流河防線並不太長，倘有此事，一萬多人的日本師團和那麼多大炮該配置於哪個陣地上呢？
又有人說，日本航空隊曾狂炸新民等地，以配合張軍的正面進攻。那時張學良兼任奉天航空處總辦，下設三個飛行大隊，如果要轟炸郭軍，出動自家的空軍就足夠了，也實在沒必要借助日本航空隊。劉鳴九隨張學良的軍團部先後由興隆店移駐新民，其間沒有看到新民的哪一個地方曾經被炸。
日本人有援助張軍，但僅僅只限定於幾個日本顧問，比如張作霖的私人顧問町野參與了防禦作戰計劃的制訂，吉林督署日本顧問林大八中佐在前線為張軍部署過炮兵陣地。在戰場上真正頂住郭軍的還是他們曾經的手下敗將，只是士別三日，他們的狀態早已今非昔比。
巨流河距離奉天省城不過幾十里，郭軍只要越過巨流河，奉天就不能守了。可是果子明明就在眼前，卻橫豎吃不著，郭松齡急了，立即下令集中火炮摧毀張軍陣地，然而接下來卻發生了一件讓眾人都倍感驚異的事：耳邊炮聲隆隆，但沒有一個射擊目標遭到破壞，連炸裂的聲音也聽不到，就好像炮兵射出的不是一顆顆炮彈，而是一個個鐵球。
郭松齡忙問參謀長、炮兵專家鄒作華究竟是怎麼回事，鄒作華煞有介事地解釋說，張軍陣地都建在巨流河河壩之上，河壩全是沙土地，抗力小，故而射出去的炮彈都不爆炸。
事實是郭軍只有很少的工輜部隊，運輸工具還是臨時從民間僱用的十餘輛汽車，在鐵路運輸連運兵的基本需求都無法充分滿足的情況下，其戰鬥配備受到很大影響。負責這方面的軍官忙中出錯，出發前檢查不周，居然所有炮彈引信都忘記攜帶了。及至戰鬥開始，這一要命的失誤才被發現，但再運已來不及了，又不敢據實報告，郭松齡下令開炮後，就只得將沒有引信的炮彈打出。當郭松齡發問時，鄒作華若據實講來，不僅會讓同僚倒霉，還可能牽連到自己，自然也就只能一本正經地瞎編了。
張軍陣地挨了半天炮擊，卻沒有受到損失，也是莫名其妙。後來郭軍兵敗，鄒作華以此邀功，說自己身在曹營心在漢，事先讓火車上管彈藥庫的人把炮彈引信抽了出來，所以炮彈才會不炸。張學良晚年對此進行了否認，說：「那是假話（指鄒作華暗中做手腳），不但是假話，那鄒作華當時是真心幫他（指郭松齡）。」
原張學良第三軍團的炮兵囊括了東北炮兵的大部分，兵變後皆為郭軍所有。郭軍能一克連山，再奪錦州，炮兵居功至偉，如今大炮啞了火，郭松齡也沒有其他辦法，只得繼續督促步兵發動硬攻。
雖說鄒作華對郭松齡說的都是瞎話，但河壩堅固也是真的，一旦炮兵不能發揮威力，步兵在河壩前再怎麼折騰，都唯有流血送命的份兒。張軍方面，吉林和黑龍江軍固然在裝備上不及對手，野炮又已在戰鬥中全部散失，所存山炮只有一營，然而張作霖已把奉天兵工廠儲藏的大批新槍、新炮、彈藥，一股腦兒全部送到了前線，相對於無後方作戰，彈藥無法補充的郭軍，他們反而後來居上。據說當時連奉天兵工廠的技工、技士都到前線充做了炮手，他們熟悉火炮技術性能，射得很準，每發必中，給無法逾河壩而過的郭軍造成了極大傷亡。這讓郭軍又產生錯覺，以為「奉軍方面有日本炮兵參加」。
郭軍官兵的思想本來就比較混亂，仗打得好還罷了，一旦遇到重大挫折便會產生劇烈動搖，尤其下級官兵，眼看奉天近在咫尺，自己有家不能歸，還得在冰天雪地中與以往袍澤拚個你死我活，更是本能地生出了對郭松齡的不滿。進攻失敗後，士兵們議論紛紛，有人嘀咕：「進城（奉天城）打誰呢？打老將嗎？我們不會這樣沒良心。」更多的說法則是：「吃張家，穿張家，郭鬼子造反真是個冤家。」這一天下來，郭軍士氣不振就已達極點，由此也可以看出，郭松齡在東北軍中的威信，確實還是壓不倒張作霖。
1925年12月23日，就在郭軍攻擊受挫、軍心沮喪之際，吳俊升的黑龍江騎兵趕到戰場。吳俊升雖然沒有多少正規的軍事知識，但畢竟也曾是一員久經沙場的悍將，他在軍事會議上說：「我是老粗，不懂得紅藍鉛筆在地圖上怎麼畫。我只知道兩個人打架，我扯誰的後腿，誰就得趴下。」
吳俊升用來扯郭松齡「後腿」的辦法，是親自帶領騎兵繞道襲擊郭軍後方。郭松齡在灤州起兵時只控制了炮兵、步兵，沒能控制住騎兵，這導致在巨流河戰場上，張軍騎兵極多，而郭軍騎兵極少，一旦面臨騎兵部隊的大規模衝擊，幾無抵禦能力。
騎兵得手之後，張軍正面部隊乘機放棄陣地，實施全線出擊。讓他們感到驚異的是，當面的郭軍竟然不做抵抗，就紛紛舉起白旗，自動繳械投降。此後，整個郭軍陣營便呈現出兵敗如山倒的趨勢，即便郭松齡親臨前線指揮也無濟於事。