皇姑屯事件
年6月4日凌晨5点30分，张作霖因战事节节失利，无法抵抗国民革命军北伐，宣布由燕京退守山海关关外，乘火车返奉天，途经皇姑屯车站时，被日本关东军炸死，史称皇姑屯事件。远东国际军事法庭调查认为，是日军河本大作大佐策划。但不能解释关东军为何要杀亲日反俄的张作霖，后来俄罗斯作家普罗霍罗夫称，苏联特工侦知张作霖似拟退回关外，欲仿第一次直奉战争失败后自治或独立的形式，苏联一方面因其曾结怨于张作霖收回中东铁路之路权与收容白俄之反共势力，另一方面担心其与日本密切的关系与合作，故由特工进行暗杀任务。普罗霍罗夫声明他的观点不是以未公开过的秘密档案为根据的，只是通过“综合分析”，“几乎可以断定”“张作霖被炸是苏联情报机构所为”。据中国《环球时报》调查，很多俄罗斯专家都表示没有听说过普罗霍罗夫。普罗霍罗夫全名为德米特里·彼特罗维奇·普罗霍罗夫，是俄罗斯的一个历史小说作者。张学良所藏关于“皇姑屯事件”调查报告被发现，张作霖的忌日是农历四月十七日，也是张学良的农历生日；张学良痛苦万分，从此不过生日，说：“从此把生日改了。”
东北易帜
年皇姑屯事件后，张学良深怀日本关东军杀父之仇，一方面奉承父亲遗志，坚守中国领土，尽力摆脱日本军政影响；另一方面贯彻自己一贯反对内战，支持三民主义政治理想，宣布东北地区服从国民政府领导，除去北洋政府五色旗，升上南京国民政府青天白日满地红旗，史称东北易帜。此举标志北伐战争正式胜利结束，国民革命军总司令蒋中正形式上统一中华民国。
诛灭杨宇霆和常荫槐
奉系将领杨宇霆与黑龙江省省长常荫槐，欲合谋夺取军政大权。张作霖被刺杀后，杨宇霆自以为老臣，时常对少主张学良不假辞色，动辄讥讽，诸将深以为大不敬。杨宇霆还逼迫张学良成立“东北铁路督办公署”，以常荫槐主其事。1929年1月10日，杨宇霆、常荫槐被张学良诱杀。处决二人后，张学良送杨、常两家各银元一万元奠仪，作为抚恤金。
日本历史学家宫胁淳子根据加藤康男所着《解谜“炸死张作霖事件”》，认为“河本大作暗杀张作霖”绝对是谎言，河本大作在爆炸之后特地拍摄照片，桥上满铁路轨桥梁完全掉落，桥下方是京奉铁路，地面却毫无伤，只有火车正上方被炸飞；张作霖替身搭乘之其他火车仍在张作霖所搭乘之火车之前后方行驶，因此炸死张作霖事件显然是由张阵营内部人士策划，炸药是装在张作霖所搭乘车辆之天花板或其他地方，这样策划者能在车辆抵达下方时按下开关，从而制造出爆炸。因此张学良在父亲张作霖过世后隔年正式成为中国国民党党员，却私下杀害同时加入中国国民党之杨宇霆和常荫槐；张学良受过极佳近代教育，认为“中国应该统一”，宣称这两人是间谍，实际上两人可能是炸死张作霖之执行犯。宫胁淳子确信张学良是共产国际内部人员，证据是后来共产国际颁授勋章给张学良；可参见杨奎松《张学良的“通共”与蒋介石的置若罔闻》、陈益南《“西安事变”中若干鲜为人知的细节》等文，张学良在1936年提出加入共产党，不是加入中共，此事需中共向共产国际汇报，最后以“特殊党员”之身份加入，即可得到共产国际支持。
中东路事件
年7月，在蒋强力支持下，张执行蒋的“革命外交”政策，意图废除不平等条约，收回国家各项权益，“强硬对抗苏俄”。故提出要取消苏俄在东北特权，查封哈尔滨苏联商业机构，开始着手收回中东铁路。7月10日，蒋在战前强调：“以苏联在国际上的孤立地位，也不必担心中苏开战。纵使万一中苏开战，中央也可出手相助，出兵10万，拨几百万元军费不成问题”。
月14日，斯大林命令苏联军队沿中东路一线向东北进攻，张领导的东北军败给苏军。张被迫在伯力签订议定书，恢复苏联在中东铁路的特权，一切回到原点。由于中原大战随即发生，蒋为稳住内政，也默许张对苏妥协，以换取其对蒋中原大战的支持。
另外值得注意是，在整个中东路事件过程中，蒋介石食言，未给张事先承诺好的任何援助与补偿，也体现出当时中国内忧外患。而中国共产党在苏联进攻中国东北的中东路事件中，积极维护苏联利益，赢得共产国际赞誉。
张因此获得中华民国政府颁发第一座青天白日勋章，此勋章是颁授给有功于保家卫国，抵御外敌的军职人员，表扬他保持国家领土与主权完整的贡献。这次挫败，影响了张学良以后对于九一八事变的处理方式，张学良认为，整体国防与战争应由中央政府统筹，以避免战事扩大或无谓牺牲。
中原大战
北伐结束后，蒋见各军阀派系犹在，希望削弱国民党内其他派系的兵力。1930年3月，反蒋派军人联名通电，推举阎锡山为全国陆海军总司令，冯玉祥、李宗仁、张学良为副司令。4月，中原大战爆发。8月，反蒋派在北平召开“中国国民党中央党部扩大会议”，另立“中央”，与南京政府对抗。阎锡山、冯玉祥、李宗仁决意联军合取蒋，双方战斗激烈，死伤惨重。战争僵持阶段，双方试图争取奉系支持。
最终张、蒋协调，张学良选择支持蒋氏。9月18日，张发表“巧电”，宣布反对中国内战，希望各方立刻停战。张建议被反蒋联军拒绝。两日后，张派兵东北军几万人入山海关，武装调停，反蒋联军失败。9月20日，蒋再电张催即日就副司令职。11月4日，阎锡山、冯玉祥通电下野，张收编接管西北军，并进军华北，入主燕京，势力大增，中原大战结束。蒋获胜，对各地军阀控制能力大增，而张奉系对中国影响力也广受人知。