林彪麾下的八路军第115师，番号原来属于东北军第57军所有，下辖第643、第644和第645三个团。热河抗战失败后举国哗然，张学良引咎辞职跑到欧洲游历了一段时间，民国二十三年（1934年）2月回国后出任“豫鄂皖三省剿总副总司令”和武昌行营主任等职，任务是率领东北军围剿鄂豫皖苏区的红四方面军。
于是东北军15个师又三个独立旅（包括第115师）共70多个团的兵力，南下华中与红军作战。民国二十三年（1934年）7月17日，吴焕先、徐海东率领的红25军在长岭岗战斗中大破东北军第115师，该师出动的两个团中有五个营被全歼，被俘官兵3000余人，“送给”红军轻、重机枪和长短枪800多支（挺）。
张学良气得将保定六期的师长姚东藩撤职，然而何应钦把持的军政部做的更绝，干脆取消了第115师的番号。红军长征前往陕甘之后，张学良再改任“西北剿总副总司令”（总司令都由蒋兼），东北军又从鄂豫皖调往千里迢迢的西北。
民国二十四年（1935年）冬，东北军第57军率先进攻到达陕北的红军，当时红一方面军刚刚恢复番号完成合编，林彪红1军团和徐海东红15军团加一起不过11000人，但是在直罗镇战役中，一战歼灭东北军第109师和第111师一个团，毙少将师长牛元峰，光俘虏就抓了5300多。缴获的武器装备更是极大补充和改善了红军部队：各种枪3500百余支（挺），其中轻机枪176挺、迫击炮8门、子弹22万发，电台两部，战马300匹以及大批军用物资。
张学良的东北军民国十七年（1928年）宣布易职时有30万人马，至中原大战渔翁得利后发展到40之万众，装备也是当时全国一流的，并且还有生产能力很强的奉天兵工厂，甚至拥有几十辆法制雷诺坦克（还有空军），这是30年代之前中央军都不曾有的重型装备。然而就是这样貌似强大的一支部队，民国十八年（1929年）“中东路事件”败给苏军、民国二十年（1931年）不战而弃沈阳、民国二十一年（1932年）20万大军再丢锦州、民国二十二年（1933年）溃于热河，在鄂豫皖和陕北又被红军打得丢盔弃甲。
除了未经激烈战斗便攫取华北的“中原大战”以外，东北军从民国十七年（1928年）开始就没打过一次像样的仗，更别提胜仗了，40万兵力却经过不断消耗下降到16万人（截至西安事变前），背井离乡从东北撤到西北。由于严重的封建思想和“张家军”的概念，一批平均年龄完全超过张学良的将领唯“少帅”马首是瞻，所谓“兵熊熊一个，将熊熊一窝”，东北军成为30年代前后战斗力最烂的一个军事集团。
西安事变后张学良被扣，南京方面为吞并和消灭所余东北军，将其缩编为了六个军13个师（不含投靠中央军的队伍），并且分拆到各个战区参加抗战，然而在抗日战场上，被拆散的东北军各部反而一改颓态，纷纷表现出较强的战斗力，远远超过张学良统率时期。比如第49军先在淞沪战场血拼，重建的第109师几乎打光，后来被划归第九战区罗卓英集团军指挥，在“上高战役”中屡挫强敌，为上高大捷立下汗马功劳。
第51军在“台儿庄战役”中负责在南路阻击日军第13师团等精锐，于学忠军长以两个师约25000人的兵力，血战淮河为北线围歼日军做出巨大牺牲。在徐州会战的第二阶段又曾经死守蚌埠，浴血临淮关，顶住了日军三个师团共计40000人的疯狂进攻。在连续七天七夜的防御作战中，第51军伤亡7000余人，而日军的伤亡达9000人以上，难以想象，这就是那支曾经在沈阳不战而逃的东北军。
第53军于民国三十二年（1943年）被编入中国远征军作战序列，次年参加滇缅反攻作战，在收复滇西国土的作战中一马当先。第57军在山东坚持敌后抗战，所属第111师于民国三十一年（1942年）8月起义，改编为万毅（开国中将）率领的八路军滨海支队，抗战胜利后挺进东北，成为东北野战军最强悍的第一纵队一部（也就是38军），战绩辉煌。第67军在淞沪战役中为掩护中国军队主力西撤，在金山卫几乎全军覆灭，中将军长吴克仁杀身成仁。
骑兵第2军在华北抗战期间，一度划归第18集团军总司令朱德将军指挥，始终坚持在中原抗日前线，也就是后来山东战场王耀武指挥的第96军。更有东北军第691团团长吕正操率部起义，成为让华北日寇闻风丧胆的冀中军区司令员，所以东北军这支团队尽管失去了张学良的统一领导，却反而摒弃了保存实力的军阀作风，对日作战中血性尽现。
抛去刘多荃、万福麟、周福成（第八兵团司令）等另外一个阵营的高级将领不计，根据统计，仅1955年我军首次授衔时，原东北军出身的将领多达25名，其中上将1人：吕正操；中将1人：万毅。另有少将23人：解方、陈锐霆、贾陶、沙克、封永顺、赵东寰、于权伸、赵承金、高存信、李觉、徐明、宋学飞、金振钟、张志毅、杨有山、张加洛、罗文、纪亭榭、管松涛、郭维城、王振乾、江潮、张学思。
