1921年，张学良赴日本参观，看到了堪称强大的日本空军，深知若无强大的空军称不上现代化军队，回国后即建议设立了航空处，抽调技工、聘用飞行员，利用张作霖从段祺瑞处弄来的8架旧飞机，搭起了东北空军的架子。1923年，张学良自兼航空处总办，下设总务、机械、材料3科，向法国购进40架“布利凯”式飞机；接着又创设航空学校并兼任校长，以重金聘请了中外教官，培训飞行员。

至1925年第二次直奉战争前，东北空军已有飞机50多架，飞行员60余名，编为“飞鹏”、“飞龙”、“飞鹰”、“飞虎”、“飞豹”5个队，且有了机库、修理厂、地勤人员，具备了侦察、投弹、扫射、散发传单等能力，曾多次配合陆军作战。1927年对直系靳云鄂部的战斗中，奉军空军出动了30多架战机，靳军在奉军陆空攻击下溃不成军。

张学良治军很严，在训练场和战场上，他赏罚严明，而在日常生活中则与官兵谈笑风生，亲如兄弟，官兵如有什么难处，他都热诚排解乃至解囊资助，故而广大官兵对他是畏之敬之爱之。对反奉失败后的郭松龄残部的招抚，更能说明张学良在奉军中的威信。

郭松龄是奉军中的新派人物，与张学良关系极好。张作霖把反叛归罪于张学良的养虎遗患，在帅府召开善后会议时大发雷霆，要军法执行处长常荫槐把张学良抓来枪毙，黑龙江军务督办吴俊升劝说道:“现在没有张军长(指张学良)一天也不行。没有他去招抚散兵，几万散兵与冯玉祥的国民军合伙打过来，奉天就顶不住。收编郭军谁也办不到，我不敢去，大帅您也不敢去，非张军长不行。他一招手，那些人都回来了。”参谋长杨宇霆跟着说:“吴督军说得对，大局为重，张军长不但不能法办，还应授给他统帅大权，要扭转大局，非张军长不可。至于郭军叛乱，我们大家都有责任，不该归罪他一个。”张作相也力劝张作霖赦免张学良，令他招抚郭军散兵，将功抵罪。

张学良果然“戴罪立功”，以自己的威望，向郭军残部晓之以理，动之以情，情真意挚地说:“这次战乱，给东北父老带来了深重灾难，死去的兄弟已无法挽救，活着的由我负责，保证你们的安全。”散兵听了他的话，知道他说一不二，担心被作为谋叛处决的疑虑消释，大部分又回了东北。对于已被俘的军官，张学良也都向张作霖恳求，一个也未受惩处。这些人从心底里感激张学良，成了他忠贞不二的追随者。

长期以来，张学良以其文韬武略、对奉军所作的贡献及完美人缘。加之张作霖对他的有意培养，逐渐确立了他少帅的地位。

皇姑屯炸车案发生后，张学良闻变不惊，他深知稳定军心的重要。他在滦河一带收束奉军，然后化装成士兵，搭乘军车回到奉天。6月20日，他就任奉天军务督办，21日才公布张作霖的死讯。在新老两派的一致拥戴下，张学良宣布就任东三省保安总司令。

东三省易帜归附国民政府。入关助蒋平乱声威复振

北伐军占领京津后，南京国民政府决策和平解决东北问题。当时结束民初以来分裂局面以达全国统一已成人心所向，通识大体的张学良顺应历史潮流，于1928年7月1日通电宣布，与南京方面停止军事行动，决不妨碍统一。12月29日。少帅冲破日军阻拦，公告全国:东北三省易帜。至此，全国实现了形式上的统一。

12月31日，国民政府任命张学良为东北边防军司令，东三省军队全部改编为东北边防军，归属国民政府统一领导，简称东北军。

遵照1929年1月底落幕的编遣会议，东北军取消原军、师番号，改编成36个旅、10个炮兵团和1个教导团。旅有国防旅和省防旅之分，国防旅每个旅辖3个步兵团，及炮兵、骑兵、通讯兵各1个连，相当于国民党中央军的一个师，省防旅辖2个团。张学良趁着这次改编的机会，选调军官，补充新兵，淘汰乏弱，又大力扩充空军。至“九一八”事变前夕，已有250多架飞机，东北军成了中央军以外旁系中最强大的武力。

1930年3月初，中原大战爆发。战争开始后，蒋介石与冯玉祥、阎锡山双方，都因东北军的参战起着举足轻重的作用而以高官厚禄竞相拉拢张学良。6月21日，蒋介石派张群到沈阳，送来任命张学良为陆海空军副司令的委任状及印信，要他表明态度，率东北军入关助战。