学生攻心为上，打败老师
日本人的干涉使张作霖有了喘息之机，他迅速将残余的部队进行整编，任命张学良为前线总指挥，并在巨流河东岸布防。
张作霖此时在巨流河的兵力约有六、七万人，而且有优势的骑兵。炮兵虽不及郭军，但使用的多数是由奉天兵工厂运来的新炮和日本重炮。而且，由日本人亲自指挥和操纵这些炮队，弹药也由日本人提供。
由于日军的干涉，郭军原计划南北夹击奉天不能实施，只得在巨流河一线正面与奉军作战。20日，郭军夺取辽河西岸军事重地新民，奉军无险可守，郭军进逼奉天。21日，郭松龄部队与张学良部隔着巨流河决战。张学良看着湍湍的巨流河，感慨万端：“这好像是命中注定，以前在讲武堂时，郭松龄与学良在此演习过，这里的地形，我们双方都很熟悉，就让老师跟学生在此比比高低吧！”
22日，受寒冷、缺粮、缺弹药困扰的郭松龄不待主力集中便发出总攻击命令。郭军对兴隆店奉军司令部形成包围之势，但最终因刘文清旅弹药供应不上转胜为败。接着，吴俊升率黑龙江骑兵杀到，炸毁了郭军在白旗堡的弹药库。郭军遭此严重打击，士气低落，士兵中流传：“吃张家，穿张家，跟着郭鬼子造反真是冤家”。
张学良乘势加紧策反工作，亲自给郭军军官打电话，讲明形势，表示既往不咎，致使郭军全线震动。早已离心的郭军参谋长邹作华通过日本驻新民领事分馆与张学良通了电话，表示不再为郭松龄作战。 23日夜，郭松龄召开军事会议商议策略，将领们的态度很不统一。邹作华、高纪毅等将领极力主张“停战议和”，而霁云、刘伟、范浦江等人积极主战。在此情况下，郭松龄仍决定和奉军决一死战。 24日拂晓，郭松龄“亲立阵头督师”。然而，令郭松龄没有料到的是，他的兵也是张学良的兵，张学良用飞机撒下的传单“老张家人不打老张家”极大地涣散了郭的军心，士兵开始纷纷投诚。给郭致命一击的是，邹作华“突然将所部炮兵旅撤回，并停止前线子弹供应，郭军遂大溃”。
郭松龄见大势已去，于是在12月24日晨携夫人韩淑秀及幕僚数人以及200多名卫队出走。临行前，郭委托霁云军长收容余部，向沟帮子、锦州方向转移。
在巨流河战役中，奉军在防守配备上，张学良与韩麟春曾有不同意见。韩麟春主张加强侧翼防御，以防郭松龄偷袭。张学良深知郭松龄其人，坚持认为：“郭茂宸是个宁折不弯的人，他一定哪硬往哪打，我们只要把正面工事做好，顶住郭军的进攻，再加上宣传攻势就一定可以取得胜利”。果不出所料，张学良的有针对性部署和攻心战术打败了老师郭松龄。
邹作华见郭松龄已走，下令各军停止进攻，发急电给张作霖，报告郭出走情形。同时又给张学良打电话报告：“茂宸已出走，部下已放下武器。现在已控制一切，请军团长放心。”至此，郭松龄反奉历经一个多月以失败而告终。
郭松龄夫妇被杀，小河沿曝尸三日
兵败后的郭松龄率机要人员和卫队离开新民，向锦州方向撤退。与之同行的夫人韩淑秀顾及到郭松龄的安全，劝郭松龄率卫队骑马先行，尽快离开险地。但郭松龄念及韩淑秀不会骑马，不想扔下患难与共的夫人，就放弃了骑马。
郭松龄等人化装成农民坐着骡车，走出新民县约20里，遭到奉军王永清骑兵旅的追击，卫队战败，郭松龄夫妇藏在农家的菜窖内被搜捕出来。 24日下午，王永清将逮捕郭的消息报告给骑兵旅长穆春，并将郭氏夫妇押解到老达房烧锅院内，等待奉天的命令。张作霖听到消息后，欣喜若狂，在电话中向穆春说：“把郭鬼子给我送奉天来，我要亲自枪毙他。”放下电话后，想了想，又把电话打过去：“把郭鬼子给我看好，我这边派人去取他，我要亲自审问他为什么反我。”
25日晨，张作霖派出卫队团长高金山去押解郭松龄，但随后不久，张作霖又下达了“将郭氏夫妇就地枪决”的命令。史料记载，杨宇霆担心夜长梦多，张学良会出手相救，便向张作霖进言即杀郭松龄，以绝后患。
1925年12月25日上午10时，高金山将郭松龄夫妇押到离老达房5里许的地方枪杀。临刑前，郭松龄面不改色，对东三省人民留下遗言：“吾倡大义，出贼不济，死固分也；后有同志，请视此血道而来”！夫人韩淑秀也从容不迫地说：“夫为国死，吾为夫死，吾夫妇可以无憾矣，望汝辈各择死所！”当高金山下达开枪命令时，韩淑秀满怀深情地看着郭松龄说：“茂宸，我要你放心地看着我先走，来吧，先打死我。”
此时，郭松龄42岁，韩淑秀35岁。
郭松龄被捕时，王永清曾电告张学良。张学良得知高金山受命押解郭氏夫妇，拟电令高金山将郭押解到军团部，想救郭松龄一命，送他出国留学。但电未发出，即接高金山电话，告张已将郭处决。张学良得到郭松龄被处死的消息后，痛惜地说：“如郭不走，决不致死。”
郭氏夫妇被害后，张作霖命令将郭氏夫妇的尸体运回奉天，在小河沿体育场曝尸三日示众，并将遗体拍成照片各处张贴，传示东三省各市、各县，惩一儆百。当时小河沿围观群众数以千计。
郭氏夫妇死后，因父母、弟弟和继子逃难在外，遗体由亲友代为装棺，暂厝于小东门外珠林寺。“九一八”事变后，其家属才把郭氏夫妇安葬在家乡附近，1948年，由其继子郭鸿志移葬于沈阳东陵区七间房墓地。
张学良对郭松龄夫妇的死很是惋惜。1926年，张学良给饶汉祥的信中说：“良与茂宸共事七年，谊同骨肉，其去冬举事鲁莽……良事前不能察防，事败不能援手。回忆前尘，曷极方事之殷，良惟自愧。”后来，每当张学良遇到难办的事，就感叹说：“有茂宸在，哪用我为这份难？”1981年，“九一八”事变50周年之际，张学良回顾往事仍扼腕长叹说：“如果当时郭松龄在，日本人就不敢发动‘九一八’事变”。这是张学良对郭松龄军事才能的一种充分肯定，也是对良师益友郭松龄的深切缅怀。
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