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张学良走后，东北军先是由于政见不和爆发内战，后被蒋政府分化改组。后在蒋政府的内战策略下，1937年3月，东北高级将领贸然接受蒋移交东北的命令。东北军被派往东北战场，山东战场与解放军比拼。随着国民党军队整体战略的失败，东北军各部门在辽沈战役和淮海战役中被人民解放军击败和歼灭，部分官兵造反投降。东北军被彻底肢解。
重要事件--西安事变
1931年秋，日军侵占沈阳等城市事件发生以后，关外的东北军部队，除黑龙江等地少数留守部队与日伪军周旋外，其余均奉行“不抵抗”政策，悉数退入关内。老家一夜之间丢了，东北军内部人心涣散，士气低迷，而作为其统帅的张学良，更是成为了国内舆论的众矢之的，也迫使张学良被迫交出军权，下野出洋。
张学良回国后，南京当局先是调他率军前往鄂豫皖地区同当地工农红军作战，后又把他改派西北，直接负责对中央苏区的进攻。在直罗镇，孤军深入的东北军第109师被彭德怀指挥部队全歼，这一惨重的失败，与张学良身上肩负的国仇家恨交织在一起，让他不得不重新权衡继续打内战的得失利害。
面对西北“剿共”军事出现僵局，南京高层颇为不悦，除此之外，潜伏于东北军内部的特务汇报，更让蒋介石坐卧不宁，他决定亲自前往西安督战，于是便有了后来的“临潼扣蒋”。
为挽救民族危亡、劝谏蒋介石改变“攘外必先安内”的既定国策、停止内战一致抗日，张学良、杨虎城毅然在临潼对蒋介石实行“兵谏”，扣留来陕督战的蒋介石，发动了震惊中外的西安事变，亦称双十二事变。
最后西安事变和平解决，国共合作抗日，但是由于这一事件，蒋介石和张学良两个人关系也发生了变化。蒋认为张学良背叛了他，把张学良软禁在安全的地方54年。
东北军的结局
全面抗战后的东北军主力所面对命运无外乎两种，一种是同敌人血战后，因伤亡过大被削去建制，另一种则是保留建制，但补充入其他部队的新兵，或被并入其他战斗序列，以冲淡其地域色彩。经过南京方面的整军会议与对日作战的损耗和补充，原先曾在北洋时代叱咤风云一时的东北军，终成为了历史。