9月，国民革命军北方军总司令阎锡山为策应北伐，夺取(北)京、(天)津，率所部主力北出大同；东出娘子关，分别沿京绥路(北京至绥远)、京汉路(北京至汉口)向奉军发起进攻。为截断京汉铁路间奉军的联络，以配合主力作战，其第6军第4师在师长傅作义率领下，于l0月5日由蔚县出发，以袁庆增团为先遣支队，轻装急进，深入奉军腹地，奇袭涿州。袁庆增团于11日突入城内，经一昼夜巷战，击败奉军王以哲卫队旅1个团，完全占领涿州城及涿州火车站。14日，傅作义率师主力进驻涿州。时沿京汉、京绥路进攻的北方军已被奉军击败。阎军主力纷纷退守山西，致使傅部孤守涿州城。傅作义只好令部署赶修工事，固守待援，令4个营担任守城任务；师主力守备城外各要点。15日，奉军以3个师的兵力反攻涿州，激战两日被击退。在奉军的猛烈攻击下，守军死伤惨重。战至17日，傅作义为节约兵力，将城外兵力撤入城内，作持久战的准备。奉军为攻克涿州，调集万福麟军及野炮、重炮各1个团，工兵3个营，在月余时间内发动数次总攻，并用飞机轰炸，装甲车冲锋，敢死队突击，坑道爆破和施放毒气等手段，全力进攻，致使守军死伤严重，城墙被轰平数处，室无完壁，粮弹将尽。但守军仍坚强抵抗。至12月，奉军强攻无效，遂采用长围久困的办法，将城四周挖上壕沟，架上铁丝网，企图将守军困死城内。时值寒冬，城内官兵身著单装，杂粮已尽，继食酒糟。兵民被饿死甚多。12月14日，城内百姓伏地位告，请求罢战，各方人士也先后进城，进行调停活动。傅作义鉴于守军疲惫不堪，援军无望，突围也不可能。遂于1928年1月5日出城，赴保定同奉军议和，并于12日达成协议，北方军第4师残部7000人退出涿州，接受奉军改编，改称“国防军”，调往京东通县。奉军万福麟部进驻涿州。至此，历时3个月的涿州保卫战遂告结束。