在應付日本人的同時，張作霖嚴令必須將涿州拿下。東北軍第一次用來進攻涿州的部隊，乃是張學良選派的衛隊旅。衛隊旅成立於聯合軍團之後，轄三個團，官兵大部分為講武堂畢業生，無論裝備還是訓練都屬上乘，因此它名為衛隊，其實是一支較為精銳的野戰部隊。
涿州當時已是孤城，在很多人看來，只要衛隊旅上去，攻陷不成問題，張學良自然也很希望能乘這個機會取得戰功，可是事與願違，衛隊旅不但攻勢受挫，死傷慘重，而且還被出城的晉軍襲擊了後方，結果被迫後撤至涿州清涼寺。
張學良聞訊，急速增調三萬餘人進行圍攻，並且親臨涿州上空視察和督戰，擺出了一副不達目的誓不罷休的勁頭。自1927年10月16日至27日，東北軍連續進行四次總攻擊，火藥、大炮、坦克乃至於坑道戰、毒氣彈，能用的都用上了，光大炮就動用了一百餘門，日夜進行轟擊，聲聞百里，可就是奈何不了城池和守軍。
涿州雖在平原地區，近郊無險可守，但城垣既高且厚，不僅利於守城，而且便於觀察：城外攻城部隊看不見城內情況，城裡向外看則瞭如指掌。
同時傅作義又是一個善於利用城垣險要進行防禦的將領。事後東北軍進城參觀守城設施，發現四面城牆上都鑿有散兵及機槍掩體，掩體內有機槍壕，局部城牆則被挖空，用以設置射擊孔，平時這些射擊孔用城磚堵上，臨戰射擊再取下來，足以打攻城部隊一個措手不及。甚至於，城內還設有臨時性工廠，專門生產一種重量相當於普通手榴彈四倍的特大手榴彈，加上每個連都配有「花機關」（晉造手提機關鎗），近戰火力以及防禦能力都很強。
經過多次總攻擊，東北軍仍然是一籌莫展，而晉軍卻愈戰愈勇。張學良只好派人勸降，勸降者中有一位是傅作義在保定軍校的戰術教官。傅作義拒絕投降，他在回信中說：「老師你只教過我學戰術，並沒教我學投降啊！」
在第九次總攻擊失敗後，被張作霖派去做前敵總指揮的萬福麟向他報告：「涿州已是非力攻所能拿下的了。」張作霖聞言，氣急敗壞地下達了命令：「不用打啦，把涿州四周挖上壕溝，架上鐵絲網，他們不投降，就把他們餓死在城裡。」
因圍城日久，城上城下的雙方士兵可以經常對話，張氏父子又想利用第一線士兵對晉軍進行瓦解。當時已是隆冬，晉軍入城時穿的都是單衣，且吃光了軍糧，只能將酒糟用石磨磨了吃下充飢，可謂是飢寒交迫，然而當東北軍士兵用糧食、棉衣來拉攏他們時，卻收效不大，只有極少數晉軍士兵因為同鄉關係，從城根的工事裡走出來投降東北軍。
傅作義和他的部屬堅持了兩個多月，他們用行動向攻城者完美地詮釋了什麼叫作軍人的意志和品格。此時對晉軍而言，死守涿州已失去戰略作用，閻錫山授意傅作義與晉軍進行停戰談判。傅作義同意向東北軍投降，條件是無論官兵，一律不能殺害。
1928年1月6日，傅作義下令打開涿州城門，自率高級軍官、幕僚走出南門，萬福麟等人在南門外大奏軍樂，「擺隊相迎」。當天傅作義身著便衣，負傷的一隻手還掛在綁帶裡，他對歡迎的人群拱手致謝，連說：「不敢當，不敢當！」
戰後，張學良用專車將傅作義接去保定，待之以上賓，隱約間似乎還有籠絡和重用的意思。只是落花有意，流水無情，傅作義不久便乘人不備，換商人裝逃回了山西。
從表面上看，涿州一戰，應該是晉敗奉勝，可結果卻好像倒了過來，傅作義靠這一戰成就了晉軍善守之名，東北軍則被弄得灰頭土臉，尤其張學良「心裡很難過」，他對張作霖抱怨說：「我們今天打的這個仗，到底為了什麼？今天跟這個打，打過之後又好了，明天又跟那個打，沒有任何目的嘛。」