辛亥革命時，張作霖獲奉天立憲派的推薦，任奉天國民保安會軍事部副部長，協助維持秩序，也鎮壓革命黨人；並與姜桂題等將領通電內閣反對共和，主張君主立憲。1912年巡防營改編為陸軍第二十七師，張作霖任師長並晉升陸軍中將。洪憲帝制期間，張作霖支持袁世凱，獲封二等子爵，藉此壓制東三省的反對派，包括革命黨與支持復辟的宗社黨人。1916年，北京政府授張作霖將軍府盛武將軍，署奉天將軍兼署巡按使，後改任奉天督軍兼省長、加陸軍上將銜。
在府院之爭中，張作霖支持段祺瑞，升為為東三省巡閱使，逐步控制黑龍江、吉林二省，形成奉系軍閥。1920年張作霖晉升陸軍上將，但密謀與直系聯合反皖；直皖戰爭後授為鎮威上將軍，次年兼蒙疆經略使，將奉系的勢力伸入關內及蒙古。1922年第一次直奉戰爭爆發，張作霖自任鎮威軍總司令兼東路軍總司令，戰敗後退回東北，宣布東三省自治，任東三省保安總司令，並與皖系、廣州護法軍政府組成反直系同盟。
1924年第二次直奉戰爭後，張作霖與馮玉祥擁立段祺瑞，自己在幕後掌權，並與馮玉祥暗中對抗。1926年奉系與直系吳佩孚和解，聯手擊退國民軍，張作霖出任安國軍總司令。1927年，張作霖在北京就任中華民國軍政府陸海軍大元帥職，成立「安國軍政府」，對抗北伐軍。然而北伐軍於1928年5月至京津地區，張作霖決定撤回東北。同年6月4日，張作霖之列車於皇姑屯被關東軍預埋炸彈炸傷，同日於瀋陽逝世。