整军经武
1922年6月，山海关战役爆发，奉系军阀被直系军阀击败，奉军伤亡惨重，被迫让出京畿地区，大军退回奉天（沈阳）后，张作霖开始整军经武。
张氏父子为了巩固统治以及扩张势力，在成立“东三省陆军整理处”后，开始积极扩建军工厂，大力发展军火工业，生产制造重型武器。
东方第一
张学良在回忆录里说 ：“（兵工厂）工人由最初的200人增加到18000人，并先后重金聘请了德、日、奥、俄、捷克、瑞典等国的外籍技术人员30余人，（奉天）兵工厂每年能生产大炮约150门，炮弹20余万发，步枪60000枝，枪弹108万发，轻重机枪1000挺以上。（逐渐）发展成为全国规模最大的综合性兵工企业，号称‘东方（亚洲）第一’”。
炮兵凶猛
据张学良介绍说，“东北军最厉害的就属炮兵”。彼时，中国各派系军队都没有正式训练过炮兵，唯独东北军在日本关东军的影响下比较重视炮兵的建设与训练。东北军炮兵建制完整，数量多，其他派系军队大都采购国外制造的大炮，一门炮最多只配500发炮弹，只有东北军能自己生产大炮与炮弹。
据记载，奉天兵工厂生产的炮弹叫“瞬发炮弹”。而国外生产的炮弹，有空爆的，也有落地后碰爆的。而东北军的“瞬发弹”，是在炮弹前头安装一节雷管，里头安装弹簧，炮弹发射落地后，会马上弹跳起来，随即引发爆炸，杀伤力巨大，所以名“瞬发”。还有落地后直接爆炸的炮弹，也是奉天军工厂生产制造的。东北军作战时，其炮兵火力凶猛，大有摧枯拉朽、横扫千军之势，与这一时期张作霖父子的苦心经营有关。
兵精粮足
经张作霖、张学良父子的大力整饬军伍，励精图治，严格训练，奉军很快恢复了元气，在数量和质量上均堪称脱胎换骨 ，战斗力也有了空前提升。整军经武两年后，奉军的整体面貌大有改观，由过去的绿林豪雄式的乌合之众，化茧为训练有素、军纪严明、器械精良的正规军队。
史载，彼时奉军的总兵力号称30万，精锐善战的主力不下20万。尤其是张作霖主政时代的东北军工厂蓬勃发展，为奉军源源不断地输送着“血液”。至此，奉军兵精粮足，军火充裕，尤其是炮兵为国内各军翘楚，睥睨群雄，“东北虎” 的雄姿已经得以再现。
建设海军
东北军陆军虽然堪称劲旅，但海空军几乎还是一张白纸。
1922年春，张作霖在东三省保安司令部内设立了东北航警处，任沈鸿烈为处长，负责招纳人才，创办海防舰队。
7月，航警处在葫芦岛创办航警学校，训练海军，培养干部。
1926年6月，已经贵为中华民国陆海军大元帅的张作霖改编军队番号，成立东北海防舰队，任张宗昌为舰队总司令；副司令为沈鸿烈。1928年7月，任命张学良为东北海军总司令。
到此时，东北海军已经拥有大小舰船27艘，总吨位32200，占全国海军舰船总数的76.7%，海军官兵3300人，占全国海军总兵力的60%有多。
彼时的东北海军进入了鼎盛期，在全国海军中独占鳌头。
创办空军
1920年7月，张作霖意识到要独霸东北，问鼎中原，必须要有一支强大的空军 。打定主意后，遂设立了东三省航空处，任乔庚云为处长，在奉天东塔的空旷处开辟修建了一座飞机场。
当时，奉军是各路军阀中唯一拥有飞机的地方武装力量。但当时仅有四架360马力的客机、四架同马力的教练侦察机。这8架飞机，还是直皖战争时奉军缴获段祺瑞的家底。
1923年9月，张作霖命张学良兼东三省航空处总办。之后，航空总办处被整编为飞龙、飞虎、飞鹏、飞鹰、飞豹5个大队。张亲任飞鹏队大队长，聘请冯庸为5大队参谋长。
紧接着，张作霖又命张学良创办了奉天航空学校，并当校长，用重金礼聘了一些资深的日、俄飞行教官任教，为东北空军培养了一大批优秀飞行员。
到1925年春，东北空军已经拥有50多架战斗机，加上机场、维修养护工厂、机械设备、航空、地勤人员培训机构以及飞行教官等，已经初具规模，在当时的中国，已经是最强大的一支空中力量，绝无仅有。
最终结局
只可惜，倾注了张作霖父子多年的心血，这么庞大、先进的军工厂，亚洲领先的军工设备与军火技术，如此众多的飞机、舰船、火炮，在1931年9月18日那个令所有中国人蒙羞的凄冷夜晚，或遭日军炸毁，或被日军缴获，训练有素、装备精良、船坚炮利的30万东北军，在“不抵抗主义”的禁锢下，面对人数远少于自己的关东军，居然不放一枪一弹，悉数撤往关内，自我窒息了自己的斗志与生命力。