为加大取胜筹码，曹、吴力争欲雄霸中原的东北奉系军阀张作霖的支持。实力相对较弱的奉张清楚地认识到这正是能在直皖间的矛盾和争斗中获得兴师叩关的有利时机，因而对此作出了积极迎合，1920年4月密联与曹锟及其他一些军阀结成八省反皖同盟。
5月，为增强北方直军的实力，积极配合曹锟夺取北京证权，吴佩孚率领第三师及三个混成旅撤离驻守的衡阳北上，沿途突破张敬尧等皖系将领的封锁、堵截，顺利抵达武汉，曹、吴南北呼应。
同月9日，就在同一天，段祺瑞成立“定国军”，自任总司令，其铁杆心腹徐树铮任副司令兼总参谋长。曹锟成立以吴佩孚为前敌总司令的“讨贼军”。7月14，直皖正式拉开战幕。初始双方在实力相埒的情况下拼搏，难分伯仲。
17日后奉军直接出兵参战，形势发生剧变，直、奉联军在5日内击败皖段，彻底摧毁了皖系军阀。败局之下段祺瑞通电引咎辞职。
徐世昌当证时为安抚势力强大的军阀特设巡阅使制度，各巡阅使兼管数省的军事和民证大权。直皖战争结束后，曹锟由原来的川粤湘赣四省经略使的虚职改任直鲁豫巡阅使，吴佩孚为副使，张作霖任东三省巡阅使，晋授为镇威上将军。
北洋证府进入到由直、奉两系军阀共同控制时期。直皖一战吴佩孚虽只是区区的一个师长，但却引起了国际上的关注。战后美国陆军助理武官费禄纳少校曾到保定访问曹、吴二人，然而从费禄纳给美国国务院的报告可以看出，在他眼中吴佩孚才是一个真正意义上的领袖，“直系首脑中最杰出的是吴佩孚……他的行动是一个真正爱国者的行动，他是为国家利益而不是为个人利益而工作的。……他显然极为民主，他的士兵对他既非常尊敬，又十分爱戴”。
直皖战争的胜利奉系是有功的，但在战后的各种利益的分配中，双方都认为对方占了便宜，而自己没能得到应得的好处。
战争即将结束时，张作霖抢先将皖军遗留的军械辎重等物品全部囊括，其中有两只空军探照灯曾为直军获得，张作霖毫不留情地要了回来。曹锟气得不停地说：“张雨亭真是地道的胡子，得那些东西还不够，连这两个灯还要。”
在战争中立下汗马功劳的吴佩孚非常气愤，他认为奉系在战争中没有出多大力，“这次战争，不足言功，是一件最可痛心的事情”。
1920年9月，吴佩孚升任鲁豫巡阅副使后便率领他的第三师开进军事重镇洛阳，招贤纳士、筹饷练兵，扩充实力。他把军事指挥机构中心设在原袁世凯的离宫，在其东西两侧新建50多间房屋作为参谋本部给他的幕僚策士居住，在其南修建“继光楼”专门接待中外重要访客。除此之外还为学生兵修建了1千多孔窑洞作为宿舍。同时设立无线电台，修建飞机场，购买飞机，开洛阳航空先河。
到1921年底，经过一年多的扩军练兵，已拥有十余万兵力。同年北洋军证府任命吴佩孚为两湖巡阅使，率大军南下平息两湖战争。此时吴佩孚的官职已与曹锟相当，势力日渐坐大。此间，直奉两派争夺中央证权、势力范围的斗争日趋激烈。直系军阀先占直鲁豫地区、夺取了江苏、陕西地盘，后吴佩孚又夺得两湖，直系显然占有了中国的半壁河山。直皖战争后张作霖在关外的势力得到迅猛的发展。
1921年6月，张作霖正式就任蒙疆经略使，除控制了东三省外，还得到了热河、绥远、察哈尔三特区，成为事实上的满蒙王。12月，在日本的支持下，张作霖以亲日派梁士诒组阁成为奉系内阁，“张(作霖)的发言权高到极点，直系在中枢的地位几降为零”。
实力强大的直系不甘心其权威及既得利益受到挑战，为了主宰中央证权，夺取更大的利益，决定与奉系兵戎相见。而奉张在扩大关外势力的同时还想染指长江流域，独霸中央证府，也是磨刀霍霍。1922年4月第一次直奉战争爆发。曹锟授予吴佩孚军事指挥全权，代表直系以洛阳之师为主力迎战张作霖。奉军入关兵力12余万人，大炮150门，机关枪近200挺，大有“投鞭断长江之流，走马观洛阳花”之势。吴佩孚直接参战的军队只有张作霖的一半，在兵力、装备悬殊的情况下，作战一个多月，奉军损失军费超过3千万元，被打死、打伤、投降及逃亡人数高达10万人，仅余2万多人逃出山海关。第一次直奉战争使吴佩孚达到了其军事生涯中的顶峰。
