直奉第一次战争中，三、八旅损失很重。战后，东三省陆军统一军制，张作霖出于对长子张学良的信任和厚望，把三、八旅整编为二、六旅，仍由张学良和郭松龄分任旅长。挑选精兵强将，调配新式枪械，充实两旅，使这两个旅成为奉军的模范旅。两旅的训练和管理，张学良仍然完全交给郭松龄负责。张学良对郭松龄言听计从，尊崇备至。这两旅后来在直奉第二次战争中，确实表现突出，战功卓著。
有枪就是草头王
既然是军阀，当然有人有枪才是正路。当时的中国军阀们大多都是用手中搜刮来的钱购买外国军火，所以命根子才掌握在外国人手里。
张作霖不一样，他认识到如果自己的命根子都被别人掌握，那么自己的地位就不可能稳固，一切都得听别人的。所以在改革东北军事的一系列行动中，张作霖将发展军事工业当做了重中之重。
为了适应大规模战争的需要，张作霖处心积虑地扩建兵工厂。1919年秋，他派原奉天省军械厂厂长陶治平负责建厂筹备工作，陶治平于1921年首先建成了无烟药厂、枪弹厂和枪厂三个兵工厂，1923年增设了炮弹厂，1924年后，杨宇霆又大力扩建了炮厂、火具厂、铸造厂、制酸厂、木工所，达到了建厂的最高峰，总共有8个厂和4个处，以及统计委员会、兵工学校、兵工医院等17个单位。兵工厂光管理人员就由最初的100多人增加到1000多人，工人由300人增加到2万人，最多时达到2．5万人。
对兵工厂的扩建，张作霖给予大力支持。后期一直是由杨宇霆在管理兵工厂，他本身也是奉系里的实力派人物，加上张作霖不遗余力的支持，他简直是想怎么办就怎么办，花多少钱都在所不惜，尤其是对军事人才和科技人才，张作霖可以说是不计成本的花钱。
有一次，他直接约见药厂负责人叶禾及枪弹厂负责人吴伯琴。两个人还不知道是什么事，心里有点忐忑，没想到一见面，张作霖就将他们一顿狠夸，鼓励他们好好干，当场开给他们两人各五万元的支票。五万元是个什么概念，现在的人可能不太清楚。这么说吧，当时一家工厂的普通工人月工资大约20多块钱，一年也就是200多元，普通中学教师月薪是40多元左右，大学教授高的达到200多元。这么一比较，你就知道张作霖在知识分子身上是多么大方了。当然，得到张作霖如此器重的人，谁不尽心尽力为他卖命!
张作霖对人才的渴求不是一般的厉害，不光是中国人，他还大胆聘请外籍技术专家。这些外国专家有日本人、德国人、奥地利人、俄国人和瑞典人等，他们都得到了重用，担任顾问、技师或技士等职。他们主要负责安装各种机器、设计制造和配件工具模板，以及对技术人员的培训指导等，起了很大作用。
此外，为了培养自己的兵工人才，张作霖还设立了兵工学校。学员分为初中、高中、专门三部，采取三三制。初中毕业后，派到厂里任三等技手，服务三年；高中毕业，派到厂里为练习生，可升一等技手；专门部毕业等于大学毕业，任一等技手或技士，这个制度有利于调动学员的积极性。以后，虽然外籍专家有所减少，但由于中国技术人才的成长，兵工厂未受任何影响，反而有所进步。1931年“九·一八”事变前，兵工厂发展很快，全厂装备大小机器约在万台以上，可谓应有尽有、品种齐全。此时，该厂已经成为全国规模最大的综合性兵工厂之一。
东三省兵工厂的扩建和发展，为张作霖进入关内、问鼎中原打下了军事和物质基础。经过奉直一战后损兵折将的奉军，逐渐恢复了元气，实力比之前增强了不知多少倍。未来战场在天空
在现代战争中，陆军没有空军的支持很难取胜。尤其是在第一次世界大战中，空军在战斗中低空对地扫射和投弹轰炸，所起到的歼灭敌人和涣散军心的巨大作用给张作霖留下了深刻印象。
张作霖曾经多次反思过第一次直奉战争的前前后后，他觉得自己失败的一大原因就在于直系的空军比自己有很大的优势。西线的直军利用其航空优势，派飞机在长辛店投掷重磅炸弹，奉军招架不住。奉军前敌总指挥张景惠首先退却，引起奉军全线崩溃。这次惨败，张作霖是刻骨铭心，张作霖更加深刻地认识到建立空军的必要性。
为了提高奉军立体作战的能力，张作霖决心建设一支有战斗力的空军。1923年9月，张作霖任命张学良为东三省航空处总办，以加快东北航空军的建设步伐。值得一提的是，张学良在1923年间学习了航空驾驶，很快就掌握了这个技术。
其实中国最早开始建立空军是在1912年前后，北洋军阀段祺瑞和徐树铮向英国购买了一批飞机。1917年还曾使用这批飞机参加了讨伐张勋复辟军的战斗，空袭过复辟军占领的北京，轰炸过紫禁城。1920年，直皖战后皖系失败出局，他们留下的战利品就被直系和奉系两家瓜分，张作霖分得了梦寐以求的一批飞机，包括有旅客运输机四架、侦察教练机四架，同时一并被他拉拢来的还有部分航空专家。有人有飞机，东北第一支空军开始呼之欲出。
1921年1月，张作霖下令设置东三省航空处，派出自己身边最得力也深得他信任的参谋长乔赓云任航空处处长，并同时任命了一系列航空处各岗位的大量技术人才，用以掌握航空处的各项大小事务。然后，张作霖特别指示在沈阳东塔寻找一片开阔地修建飞机场，大兴土木建厂房、仓库、宿舍。渐渐地，东北航空军开始有了初步的雏形。
对航空员的培养，张作霖煞费苦心。第一批自己培养的航空员，基本不合格。第二批从陆军中选送到法国留学的12名航空员，也不理想。接受这两次教训，对第三次选派留学的航空员就非常严格。1925年，张学良在东北军官训练班的1000余名学员中，亲自挑选了28名学员。他们的特点是品德好、年龄小、体格壮，一般是20岁左右，最小的仅17岁。这次送往法国留学的共35名，除28名学飞行的航空员外，还有学习其他学科的。
这些被选送的航空员到达法国，开始了一系列扫盲和启蒙式的学习，由浅入深，循序渐进，机械、实习、法文等一一熟稔，然后是高级阶段，学习驾驶、战斗、投弹、轰炸、空中战斗、无线电联系等。
1927年初，结束全部训练项目的学员启程回国，受到张学良的高度重视。还在他们法国学习期间，张学良就将他们的军衔晋升了一级，由准尉提升为中尉。等他们一回国，立即提升为少校，甚至个别表现特别优秀的还直接被提升为中校。并且指示航空处对这批高级知识分子和技术骨干在能想到的各个方面都给予优待。这批人感恩戴德，尽心尽力，对奉军航空事业的发展起到了巨大的推进作用。
有了人才，还得要有飞机才行，要不那些飞行员就只能拿着模型上战场了。东北空军的飞机五花八门，什么出处都有。当时张作霖的想法是只要是飞机，管你什么型号做什么用途，一概是韩信点兵，多多益善，于是东北飞机的来源可就热闹了。
这第一个来源就是直接缴获，直皖战争、直奉战争、讨伐国民军等大大小小的战争张作霖都有斩获，拿了段祺瑞的8架、吴佩孚的2架、冯玉祥的3架，后来他的飞豹队又从山东带回来10架，这就有23架飞机，不少了!
然而张作霖对几十架飞机是远远不满足的，他的胃口相当大，既然国内已经没有什么油水了，那就向国外想办法，一个字：买。从法国购买10多架，从日本花120万元购买4架，从捷克购买40架，张作霖通过购买得到的飞机前后得有80多架。这么里外地算下来，张作霖的空军家底就有了100多架飞机了，这在当时的中国绝对是排在老大的。
有了人，有了钱，东北航空处腰杆子粗了，开始正式建立空军番号，设立了5个航空兵队，分别是飞龙、飞虎、飞鹏、飞鹰、飞豹，而张学良自己就是飞鹏队队长。
不久后，东北航空队撤销建制，改为东北空军司令部，由张学良任司令，再后来又改为东北空军大队。1930年，又把空军大队改回东北空军司令部，司令仍然是张学良。
东北空军从无到有、从少到多、从小到大、从粗到精，经过十多年发展下来，已经逐步演变为一支拥有现代技术装备和具有坚强战斗力量的空军劲旅，这为将来张作霖争霸中原起到了非常关键性的作用。
陆、海、空，一个都不能巨少
有了陆军和空军，张作霖并没有停下他扩军的脚步。因为他深知，现代战争已经与过去完全是两个世界了，陆海空三位一体，一个都不能少，所以海军也不能忽视。
张作霖对海军的印象，还要回到第一次直奉战争爆发的时候。吴佩孚曾经乘温树德海军少将的旗舰“海圻”号，一直航行到秦皇岛、葫芦岛一带。在葫芦岛时，还命令发射舰炮轰击岸上的奉军，而奉军对这个远在海上的大家伙又毫无办法，基本是捆着手挨打。奉军失败后在退出山海关时，又遭到直系“海筹”、“海容”等军舰从海面上的攻击，部队损失较大。问题是军舰不是地面物体，奉军对它是束手无策，弄得白天都不敢行动，只好趁晚上军舰看不见的时候抓紧运兵，汽车连车灯都不敢开，只能摸黑行走，就别提那个别扭劲了。
张作霖深感没有海军不能控制海面的痛苦，加上他管辖的东北，有很大一片地方也是靠海的，敌人要是从海上进攻，奉军可说是毫无还手之力。于是，张作霖决心建立一支真正的属于自己的东北海军。
张作霖自己是不懂海军的，他必须寻找可靠的专业人才，尤其是东北海军是初创，必须是非常懂得海军和海军建设的人才。于是经过仔细访查，他终于选中了一个人，沈鸿烈。
沈鸿烈，字成章，湖北天门人，1882年生。1906年入日本海军学校学习，加入中国同盟会。1911年毕业回国后适逢武昌起义爆发，沈鸿烈奉命策动长江上下游海军反正；1912年，任南京临时政府海军部军机处参谋；次年，任北京政府参谋本部上校科长；1916年，被派赴欧洲观战团海军武官，回国后任陆军大学海军教官；1920年，任吉黑江防司令公署中校参谋。
其实还在晚清的时候，沈鸿烈就被当时的两湖总督张之洞派到日本留学，学习的专业就是海军，是个比较早的海归，应该是有学问、有资历，在军中发展前途无限，但当时的中国海军有名无实，根本没有形成现代海军制度。当时中国海军除了北洋外就是福建海军，但北洋舰队甲午一战全军覆没，剩下的就是福建海军了。福建海军在内部制度上，依然没有改掉封建时代军队的老毛病，那就是家族式武装的弊端。