1925年12月22日夜，郭军向张军的巨流河防线发起全线总攻击。战斗十分激烈，枪声连成一片就像刮风一样，但与以往不同的是，郭军的几次强攻都未能得手。外间传说，日本派一个师团的陆军和百门大炮加入张军防线，巨流河、兴隆店一带无处没有日本兵，一些郭军官兵事后便认定是与他们作战的除了张军还有日军，所以仗才这么难打。张学良的机要秘书刘鸣九亲身参加了巨流河战役，据他说，这是不符合实际的，因为整个巨流河防线并不太长，倘有此事，一万多人的日本师团和那么多大炮该配置于哪个阵地上呢？
骑兵得手之后，张军正面部队乘机放弃阵地，实施全线出击。让他们感到惊异的是，当面的郭军竟然不做抵抗，就纷纷举起白旗，自动缴械投降。此后，整个郭军阵营便呈现出兵败如山倒的趋势，即便郭松龄亲临前线指挥也无济于事。
虽说邹作华对郭松龄说的都是瞎话，但河坝坚固也是真的，一旦炮兵不能发挥威力，步兵在河坝前再怎么折腾，都唯有流血送命的份儿。张军方面，吉林和黑龙江军固然在装备上不及对手，野炮又已在战斗中全部散失，所存山炮只有一营，然而张作霖已把奉天兵工厂储藏的大批新枪、新炮、弹药，一股脑儿全部送到了前线，相对于无后方作战，弹药无法补充的郭军，他们反而后来居上。据说当时连奉天兵工厂的技工、技士都到前线充做了炮手，他们熟悉火炮技术性能，射得很准，每发必中，给无法逾河坝而过的郭军造成了极大伤亡。这让郭军又产生错觉，以为“奉军方面有日本炮兵参加”。
郭军官兵的思想本来就比较混乱，仗打得好还罢了，一旦遇到重大挫折便会产生剧烈动摇，尤其下级官兵，眼看奉天近在咫尺，自己有家不能归，还得在冰天雪地中与以往袍泽拼个你死我活，更是本能地生出了对郭松龄的不满。进攻失败后，士兵们议论纷纷，有人嘀咕：“进城（奉天城）打谁呢？打老将吗？我们不会这样没良心。”更多的说法则是：“吃张家，穿张家，郭鬼子造反真是个冤家。”这一天下来，郭军士气不振就已达极点，由此也可以看出，郭松龄在东北军中的威信，确实还是压不倒张作霖。
郭松龄忙问参谋长、炮兵专家邹作华究竟是怎么回事，邹作华煞有介事地解释说，张军阵地都建在巨流河河坝之上，河坝全是沙土地，抗力小，故而射出去的炮弹都不爆炸。
事实是郭军只有很少的工辎部队，运输工具还是临时从民间雇用的十余辆汽车，在铁路运输连运兵的基本需求都无法充分满足的情况下，其战斗配备受到很大影响。负责这方面的军官忙中出错，出发前检查不周，居然所有炮弹引信都忘记携带了。及至战斗开始，这一要命的失误才被发现，但再运已来不及了，又不敢据实报告，郭松龄下令开炮后，就只得将没有引信的炮弹打出。当郭松龄发问时，邹作华若据实讲来，不仅会让同僚倒霉，还可能牵连到自己，自然也就只能一本正经地瞎编了。
张军阵地挨了半天炮击，却没有受到损失，也是莫名其妙。后来郭军兵败，邹作华以此邀功，说自己身在曹营心在汉，事先让火车上管弹药库的人把炮弹引信抽了出来，所以炮弹才会不炸。张学良晚年对此进行了否认，说：“那是假话（指邹作华暗中做手脚），不但是假话，那邹作华当时是真心帮他（指郭松龄）。”
1925年12月23日，就在郭军攻击受挫、军心沮丧之际，吴俊升的黑龙江骑兵赶到战场。吴俊升虽然没有多少正规的军事知识，但毕竟也曾是一员久经沙场的悍将，他在军事会议上说：“我是老粗，不懂得红蓝铅笔在地图上怎么画。我只知道两个人打架，我扯谁的后腿，谁就得趴下。”
日本人有援助张军，但仅仅只限定于几个日本顾问，比如张作霖的私人顾问町野参与了防御作战计划的制订，吉林督署日本顾问林大八中佐在前线为张军部署过炮兵阵地。在战场上真正顶住郭军的还是他们曾经的手下败将，只是士别三日，他们的状态早已今非昔比。
吴俊升用来扯郭松龄“后腿”的办法，是亲自带领骑兵绕道袭击郭军后方。郭松龄在滦州起兵时只控制了炮兵、步兵，没能控制住骑兵，这导致在巨流河战场上，张军骑兵极多，而郭军骑兵极少，一旦面临骑兵部队的大规模冲击，几无抵御能力。
又有人说，日本航空队曾狂炸新民等地，以配合张军的正面进攻。那时张学良兼任奉天航空处总办，下设三个飞行大队，如果要轰炸郭军，出动自家的空军就足够了，也实在没必要借助日本航空队。刘鸣九随张学良的军团部先后由兴隆店移驻新民，其间没有看到新民的哪一个地方曾经被炸。
巨流河距离奉天省城不过几十里，郭军只要越过巨流河，奉天就不能守了。可是果子明明就在眼前，却横竖吃不着，郭松龄急了，立即下令集中火炮摧毁张军阵地，然而接下来却发生了一件让众人都倍感惊异的事：耳边炮声隆隆，但没有一个射击目标遭到破坏，连炸裂的声音也听不到，就好像炮兵射出的不是一颗颗炮弹，而是一个个铁球。
原张学良第三军团的炮兵囊括了东北炮兵的大部分，兵变后皆为郭军所有。郭军能一克连山，再夺锦州，炮兵居功至伟，如今大炮哑了火，郭松龄也没有其他办法，只得继续督促步兵发动硬攻。
