1930年3月15日，以晉系商震和西北軍鹿鐘麟為首的57名來自馮、閻、桂三大集團的將領聯名通電倒蔣，擁戴閻錫山為中華民國陸海空軍總司令，馮玉祥、張學良、李宗仁為副總司令。3月21日，閻錫山、馮玉祥公開發出倒蔣通電，全國各反蔣之大小軍閥陸續響應。4月1日，閻錫山在太原宣誓就任中華民國陸海空軍總司令，馮玉祥和李宗仁也于同日分別在潼關和桂平就任副總司令，張學良沒有表態。接著，閻錫山召開高級軍事會議，決定集結重兵，沿平漢線、隴海線和津浦線三路進擊，直取南京。4月4日，蔣介石以國民政府的名義下令免去閻錫山所任各項職務，并通令拿辦；5日，蔣介石下令討閻，中原大戰爆發。

中原大戰是一場規模空前的軍閥大混戰，戰爭雙方投入的總兵力共計超過一百萬人，戰線綿延數千里。1930年5月11日，中原大戰正式打響，雙方都將主力置于隴海線上進行較量。起初，蔣介石攻勢極猛，位于隴海線正面的晉軍遭到慘重損失，馮軍也因將領倒戈而出現混亂；后來，閻、馮兩軍經過重新部署，穩住了陣腳，旋即發動全線進攻，在平漢線及隴海線上大敗蔣軍，期間閻錫山派兵奇襲蔣軍設在歸德的指揮部，差點生擒蔣介石。從5月22日開始，蔣、馮、閻激戰于魯、豫千里戰場，戰況十分慘烈。雙方在開封以東一帶投入60多萬兵力，傷亡達20萬，戰況呈現拉鋸之態。與此同時，石友三率兵東渡黃河，向濟寧方向前進，牽制蔣軍，使晉軍得以在津浦線上順利行進，并于6月25日輕取濟南，聯軍進而向徐州、蚌埠進逼。至7月下旬，晉軍已經控制了泰安、兗州以北地區。

與此同時，蔣介石還在平漢線上對許昌發動猛攻，馮軍拼死抵抗，固守近一個月，終于迫使蔣軍南撤。在湖南戰場，張桂聯軍揮師入湘后，于6月4日攻占長沙，6月8日攻克岳陽，兵鋒直指湖北。但由于未能與馮閻軍形成夾擊之勢，勢單力孤的張桂軍很快陷入了蔣軍的包圍，并于7月初退回廣西。

7月下旬，蔣介石作出戰略調整，決定把主戰場從隴海線轉移到津浦線，實行主攻閻軍拖跨馮軍的戰略。8月初，蔣介石沿津浦線分兵三路進攻晉軍，晉軍節節敗退，閻錫山急忙派人攜帶大批現款、面粉和彈藥趕到鄭州請馮玉祥支援。8月4日，馮玉祥為牽制蔣軍對津浦線的進攻，在隴海線上發動全面攻勢，準備一舉拿下徐州，與晉軍會師，蔣介石則下令隴海線各部死守。當時正值大雨連綿之季，馮軍行軍疲憊，攻勢受阻，而閻錫山則出于保存實力，下令軍隊對津浦線采取守勢，結果將馮軍孤懸在隴海線上，使之失去呼應。8月11日，蔣軍對泰安晉軍發動進攻，血戰五日，于8月15日占領濟南，晉軍大部被俘，主力損失殆盡，敗退至黃河以北。

晉軍在津浦線戰敗后，戰場形勢驟變，蔣介石趁機將主力移至隴海線，同時也向平漢線增兵，將馮軍置于腹背受敵的險境。8月底9月初，蔣介石向馮軍發起猛攻，此時馮軍主力仍在鄭州一帶，準備與晉軍聯合，與蔣軍決戰。然而這期間，閻錫山為保存實力，已陸續將隴海線上名為歸馮玉祥指揮的晉軍秘密調回了山西，使馮軍陷于孤軍作戰的境地，形勢急轉而下。

中原大戰爆發后，閻錫山曾電請汪精衛北上主持黨務，同時，在閻、馮等人的發起下，改組派和西山會議派等反蔣各派，在北京聯合成立了“中國國民黨中央黨部擴大會議”，汪精衛被奉為“擴大會議”的領袖。改組派屬國民黨左派，而西山會議派屬右派，二者本是勢不兩立，但此時雙方都遭到蔣介石的排斥和打擊，深感只有團結一致，才能對抗蔣介石的軍人獨裁，因此才暫時摒棄前嫌，握手言和。1930年8月7日，“中國國民黨黨部擴大會議”在北平中南海懷仁堂正式召開，改組派汪精衛、陳公博等人，西山會議派謝持、鄒魯等人，以及軍事實力派閻錫山、馮玉祥等人都參加了會議。會議由汪精衛主持，頒布了《國民政府組織大綱》，宣布成立國民政府，閻錫山當選政府主席，在領導分工上，汪精衛主黨，閻錫山主政，閻錫山和馮玉祥共同主軍。1930年（民國19年）9月9日上午9時，閻錫山在北平懷仁堂宣誓就職為國民政府主席，北平國民政府成立，時稱“四九小朝廷”。

然而，“四九小朝廷”成立之時，反蔣聯軍的戰場形勢已經非常糟糕，在蔣介石的大舉反攻下，聯軍節節敗退，閻錫山不得不電請張學良相助。雖然早在中原大戰爆發前的1930年3月，反蔣陣營就曾任命張學良為中華民國陸海空軍副總司令，但張學良卻始終沒有表態；到5月戰爭全面打響后，張學良也一直騎墻觀望、嚴守中立。后來，蔣介石和閻馮聯軍在付出了30余萬人傷亡的巨大代價后，將中原大戰成敗的主導權交到了張學良手中，可以說，張學良此時加入哪個陣營，哪個陣營就將取得勝利的主動權。因此，交戰雙方都把張學良視為決定勝負的籌碼，積極進行拉拢，蔣介石也送去了和閻錫山同樣的委任狀，并將數百萬巨款匯至沈陽。到了9月，眼見中原戰局開始向有利于蔣介石的方向發展，張學良遂于9月18日通電擁蔣，東北軍最終倒向了南京政府。

1930年9月21日，張學良派20萬東北軍入關，當日即占領天津，26日進入北平，進而控制了整個華北。閻錫山見大勢已去，發表通電聲稱“愿退避三舍”，并令晉軍全線撤退；蔣介石則趁此機會大舉進攻馮玉祥，馮玉祥四面楚歌，部將吉鴻昌、龐炳勛、梁冠英等先后降蔣，馮軍全線崩潰。10月1日，蔣介石攻占許昌，3日占開封，6日克鄭州，馮軍向洛陽和潼關一帶退卻，至此，馮玉祥苦心經營多年的西北軍徹底瓦解。11月4日，馮玉祥、閻錫山通電下野，中原大戰宣告結束。

當時，有人畫了一幅漫畫：閻錫山一手拿算盤，一手拿帳本；蔣介石一手拿鈔票，一手拿飛機；馮玉祥一手拿大刀，一手拿窩頭。這便是對蔣、閻、馮三方在中原大戰中形態的準確、生動的描繪。

經過中原大戰，張學良的勢力和聲望高漲。10月9日，張學良在沈陽宣布接受蔣介石委任的中華民國陸海空軍副總司令一職。為感謝張學良參戰，蔣介石于11月特邀張學良及夫人于鳳至到南京，并以最隆重的儀式和最高的規格接待了張學良夫婦，還親自陪他們拜謁中山陵，游覽湯山（1929年6月1日，南京政府將孫中山靈柩奉安南京紫金山中山陵）。于鳳至拜宋母為干娘，與宋靄齡、宋美齡以姐妹相稱，蔣介石也和張學良換了蘭譜，結拜為異姓兄弟。蔣介石推張學良為國府委員，并授張學良以節制遼、吉、黑、晉、冀、察、熱、綏八省區軍隊之全權，還將北平、天津、青島三市及河北、察哈爾兩省劃歸張學良管轄。與此同時，大批奉系成員也進入了南京政府。張學良也投桃報李的表示“誓盡精誠，以擁護中央”。

與張學良的風光無限大相徑庭，馮玉祥戰敗下野后，其軍隊被蔣介石和張學良收編，馮玉祥自己則沉寂隱居，直到“九一八”之后才又被選為國民黨第四屆中央執行委員、國民政府委員，重出政壇。閻錫山和馮玉祥不同，他雖然戰敗，但還沒有把老本兒都賠上，仍然盤踞山西，控制著當地的武裝。后來，閻錫山化裝潛入為日本人所控制的大連，遙控山西各將領，使他們在中原大戰后表面接受張學良裁編，實則是按照自己的意思進行調整。到1932年，閻錫山又恢復了國民政府委員、軍事委員會委員等職務，并當選國民黨中央執行委員，從此與蔣介石重新合流，再度統治晉綏兩省。