9月4日，张作霖便向直系挑战，致电曹锟，声言“将由飞机以问足下之起居，枕戈以待最后之回答”。9月15日，张作霖自任镇威军总司令，率6个军25万人向山海关、热河一线推进。直系也以吴佩孚为总司令，出兵20万人，驻屯在山海关和热河一线。第二次直奉战争爆发，主要战场在山海关一带。孙、段、张 联合起来，共同行动。这样，战争由江浙一隅的局部事件，发展成为全国反直势力与直系军阀的大决战。东北军将领何柱国在《孙、段、张联合推倒曹、吴的经过》一文中承认：“我们奉军的胜利，与孙、段的配合，从头到尾都是分不开的。”张学良后来也回忆说：“我父亲很厉害，他一定要打，为什么呢，就是因为‘三角同盟’。”

　　与江浙战争进行同时，孙中山领导的北伐军也有所进展，樊钟秀部和程潜部一度攻入赣南和湖南宜章。不过北伐军为后方的陈炯明和反动的广州商团所牵制，不能全力以赴，所以直接的战果并不显著。但在孙中山的号召之下，不但直接威胁到湘赣两省，而且川、滇、黔等省也行动起来，声势浩大，牵制了长江以南直系的大量军队。何柱国指出：“第二次直奉战争的胜利，一是冯玉祥倒戈，发动了‘首都政变’，一是与三角同盟中的西南孙中山方面对曹、吴的牵制是分不开的。”从这个意义上说，孙中山与张作霖的合作，基本上达到了最初设定的目的。孙张会谈，无果而终

　　1924年10月，正当吴佩孚在山海关前线同奉军激战时，直系第三军总司令冯玉祥与直系援军第二路司令胡景翼，联合京畿警备副司令孙岳秘密计划倒戈。10月23日，冯玉祥回师南苑，通电停战，发动北京政变，曹锟被囚，第二次直奉战争结束，直系瓦解，奉系取得决定性的胜利。张作霖、冯玉祥、段祺瑞等人皆致电孙中山，邀其北上，共商国是，并提出召开由各实力派参加的和平会议，产生正式政府。

　　11月4日，孙中山复电张作霖，表示同意北上：“文在此间部署军事，数日可毕，当即轻装北上，共图良晤。”同时，他还派孙科向张作霖说明他对时局的主张。11月10日，孙中山发表《北上宣言》，主张对内召开国民会议，结束军阀统治，对外废除不平等条约，反对帝国主义侵略，以期唤起民众，和平统一中国。11月13日，孙中山偕宋庆龄等乘“永丰”舰离广东北上。

　　在孙中山北上途中，11月15日，张作霖、卢永祥、冯玉祥、胡景翼、孙岳五人联名推戴，公举段祺瑞为中华民国总执政，执行政府职权。段祺瑞不仅为冯奉两系所推戴，而且还受到直系及西南军阀所拥护。11月22日段祺瑞入京，24日在陆军部宣誓就职，临时政府宣告成立。段祺瑞在就职宣言中说道：“本执政誓当巩固共和，导扬民智，内谋更新，外崇国信”。这里所说的“外崇国信”，显然就是要承认几十年来帝国主义强加于中国的一切不平等条约，就是要维持它们在中国的既得权利和统治特权。段祺瑞从重新上台的第一天起，又成了各帝国主义侵华的共同工具。这与孙中山在《北上宣言》的精神南辕北辙，是对孙中山不小的打击。

　　11月25日，孙中山又派大元帅府财政部长叶恭绰携政治军事方案及书信北上奉天，与张作霖讨论。在《致张作霖函》中，孙中山对张作霖表示感谢：“一年以来，屡蒙我公资助，得以收拾余烬，由闽回师，又得滇军赴义。川民逐吴，遂将贼在西南之势力陆续扑灭，而广州根本之地得以复还，此皆公之玉成也。”孙中山同时坦言：“而财政之困，日以迫人，以致不能速于扫荡，竟使叛逆尚得负隅东江，为患而今。”由此可见，孙中山派叶恭绰北上，兼有商议时局和借款的双重目的。同时，孙中山取道日本北上。一开始，他有经奉天入京的设想，后改道由津入京。

　　直系的垮台，削弱了孙中山和张作霖合作的政治基础。孙中山对军阀本来就有利用之意，他在广州接见苏联代表达林时曾说：“等我击败吴佩孚，下一个就轮到张作霖了。”张作霖虽然对孙中山表示尊敬，但也只是把“孙先生当作一个远交的朋友而已”。

　　12月4日，孙中山抵达天津。这天，天津城沉浸在喜庆的气氛之中，到处燃放爆竹。天津学生、市民等群众团体搭起牌楼，悬灯结彩，有五万多群众在码头热烈欢迎孙中山先生的到来。当日午后，孙中山前往海河北曹家花园拜访张作霖。张作霖态度冷淡，没有出门迎接，让孙中山在客厅坐了很久，才慢条斯理地出来，径直落上座。宾主之间，一时间竟无话可说。孙中山首先打破僵局：“我今天到了天津，承派军警前来欢迎，对于这种盛意，非常可感，所以今天特来访晤，表示申谢。这次直奉之战，赖贵军的力量，击败了吴佩孚，推翻了曹、吴的统治，实可为奉军贺喜。”

　　张作霖态度傲慢，不以为然地回答：“自家人打自家人，谈不上什么可喜可贺。”随同孙中山前来拜访的李烈钧看不下去了，愤慨地说：“若不铲除吴佩孚，国家和人民的希望何在?如此还不可贺，则何者可贺?今天孙总理对雨亭之贺，实有可贺的价值，也惟有你雨亭才能当此一贺。”孙中山说：“确实如此，民国以来，能得到我当面祝贺的，也惟有雨公一人而已。”宾主气氛才融洽起来。张作霖问：“先生预定滞留北京为期几日?”孙中山回答：“一俟时局稳定，即作欧美之游。”

　　孙科在《八十自述》中说：“据汪精卫报告：张见中山先生后告汪：‘我从前以为孙先生是个什么难说话的人，今日才知道他是一个温厚君子。”

　　在谈话中，张作霖坦言：“我是粗人，坦白言之，我是捧人的，我今天能捧姓段的，就可以捧姓孙的，惟我只反对共产，如果共产实行，虽流血所不辞。”由此可见，孙中山与张作霖在天津的两次会谈，虽表面上显得还算融洽，但张作霖的反苏反共态度与孙中山的联俄联共政策截然相反。这种政治上重大分歧，决定了直系垮台后孙张二人的渐行渐远。12月5日，张作霖回访孙中山。在谈话中，张作霖劝告孙中山，不要反对外国人，因为外国人是不好惹的，而各国公使非常反对联俄联共政策，希望孙中山放弃这个政策。张作霖表示，他愿意代表孙中山疏通外国感情，并说这件事包在我张作霖身上，一定可以成功。

　　天津会谈结束后，张作霖回东北。由于天津气候严寒，加以旅途劳顿，孙中山渐感不支，发冷发热，不得不滞留天津养病。天津人民对中山先生无限崇敬，社会各界人士纷纷派代表探望。然而，段祺瑞的卖国行径，又使北上时对中国明天充满希望的孙中山大失所望，深受打击，一气之下使他的病情再度恶化。但为了国事，他坚持抱病入京。在孙中山病重期间，1925年2月10日，张作霖派东三省保安司令部秘书长兼东北交通委员长郑谦代表他前来探望。3月12日，孙中山在北京病逝。“三角同盟”也由于直系的失败，孙中山、张作霖、段祺瑞之间政治上的分歧而自然解体。