然而北伐军在江南的高歌猛进，以及蒋桂方面的拉拢，终于让阎老西决定“换船”了，6月间易帜，宣布就任“国民革命军北方军总司令”，跟张大帅翻脸开战 。晋绥军主力四个军分两路出动，一路沿平张线攻击奉军，一路向保定以南的平汉线推进，与张学良直接指挥的奉军全面交火 。而晋绥军傅作义的第4师，则被阎锡山置于两路大军之间，担负机动作战任务，傅作义纵横驰骋，又趁涿州原驻军张作相15师调防之际，突然袭占了涿州城，控制了这座位于保定侧后、距离平汉铁路仅仅1000米的重镇 。
（张作霖）一，傅作义善长奇袭的作战风格初露锋芒 。涿州原为奉军张作相的部队，张部调往前线时拟由王以哲的卫队旅接防，而傅作义的部队正是利用了这个时间差，1927年10月5日由河北蔚县出动奔袭涿州，11日其先头团突入城区时，竟被奉军误认为自己的队伍，傅部先敌猛烈开火，兵力占优的王以哲旅反而被打懵了逃出城外 。
三天后傅作义全师抵达，彻底占领涿州城，至此完全可以用火力封锁平汉线，算是摸了奉军的老虎屁股 。二，奉军虽然装备和火力优势却是士气低糜 。京畿要地的涿州失守，让张作霖大惊失色，即命安国军上将军团长张学良调集重兵反扑，10月15日起，奉军以新调来的第15师、第21师配合原来的卫队旅，再加上重炮旅、工兵旅30000余人开始攻城，拥有大小火炮100余门和飞机助战，然而第一次总攻很快归于失败 。
傅部官兵训练有素，敌兵不至城下不发一弹，而一旦靠近时则手榴弹、手提机关枪、步枪和机枪突然齐发，奉军伤亡惨重 。（阎锡山）张作霖大怒，饬少帅调来雷诺坦克队助战，还发射过500枚瓦斯弹，然而整整五次总攻击仍然未能奏效，一方面是奉军各级指挥官战法呆滞，只会逼迫士兵冲锋，另一方面是奉军绿林气太浓，一碰到这样顽强防守的硬茬子，士气严重下滑，没有人愿意率先爬城进攻，所以攻城架势很凶，攻击力却不尖锐 。
到11月1日，涿州攻城战役仍无进展，气得张作霖要亲自出马率兵攻城，经左右力劝才作罢，奉军遂从12月起改为围困 。三，傅作义战术运用得当确实做到了攻守兼备 。傅作义在死守涿州时很有一套，他指挥部队在城上每隔20米设一土堆，作为侧防机枪掩体，城墙之突出部位及瓮圈内也多设侧防火力，这样对攻城奉军造成了严重杀伤，城墙上居然开设交通沟以掩护兵力调动 。
同时严防奉军挖地道破城，偶而还组织部队夜里出城进行反突击，战术非常灵活，反观奉军只会一味强攻，两个月毫无进展，遂成就傅作义善守之名，抗战初期被任命为太原城防司令与此大有关系，然而在日军的进攻下，太原三天即告破城 。（张学良）四，涿州之战的最终结局其实并不完美 。尽管傅作义及其所部英勇善战，然而大势却非常不妙，国民政府的北伐军由于宁汉分裂，至1927年秋全部撤回江南（二次北伐是1928年的事情了），因此奉军得以集中兵力对付“叛变”的阎老西，其两路主力全部战败撤回山西境内，这就意味着傅作义第4师成为一支孤军，再也得不到外援了，随着粮弹逐渐枯竭，其实傅部也到了山穷水尽的地步 。
而奉军因为面临冯玉祥和江南北伐军的军事压力，也急于结束涿州战事，因此在各界调停下，从12月中旬起双方开始停战谈判，至1928年1月5日正式停火，七天后晋绥军第4师残兵7000余人开出城外被奉军改编，傅作义本人则被张学良软禁于保定，奉军重新占领涿州 。（奉军坦克）不过涿州之战在那个年代仍然创造了奇迹，前后坚持了将近三个月，牵制了奉军50000余精锐，进而丧失了可以各个击破冯、阎的战场上主动权，不久北伐军主力北渡长江，与冯、阎等共四个集团军全力来攻时，奉军的战败已经不可避免 。
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