第二次直奉戰役結束後，馮玉祥曾邀請張作霖、段祺瑞等人到北京共商國是，結果由於張作霖推舉段祺瑞擔任臨時政府執政，馮玉祥的和平建國主張宣告破產。奉軍入關後，張作霖一手把持了北京政權，他處處排斥宋哲元、鹿鍾麟等西北軍將領，這引起了馮玉祥的不滿。
為打破張作霖對北京政府的控制，馮玉祥遂打算聯絡直軍孫傳芳部一起反奉。1025年10月，國民軍與直軍聯手倒奉，在直軍的支持下，國民軍在直隸、山東戰場上逐漸佔據了優勢，為從內部搗毀奉系政權，馮玉祥又派人說服奉軍大將郭松齡倒戈。
郭松齡的倒戈，可以說給了張作霖當頭一擊，可是張作霖很快就調整了戰略，他不僅率領關外奉軍擊垮了郭松齡的軍隊，還將馮軍直接壓縮到了滄州、南口一線。為痛擊馮玉祥，張作霖甚至派人聯絡武漢的吳佩孚一起倒馮，如此馮玉祥所聯合的直軍，便由倒“奉”轉為了討“赤”。
直系與奉系的聯合，使西北軍一時亂了陣角，隨著武漢直軍吳佩孚部的加入，馮玉祥的國民軍陷入了兩線作戰的尷尬境地。為了擺脫這一困境，馮玉祥便不得不派人聯絡南方的廣東國民政府，最後在廣東國民政府的支持下，馮玉祥終於鼓起勇氣決定和奉直一戰。
馮玉祥派人聯絡廣東國民政府軍的同時，還重新起用直系大佬曹錕拉攏直系軍馬，可是曹錕也無法掌握吳佩孚的直軍，於是這一策略也宣告失敗。1926年初，奉軍主力重新入關，國民軍魏益三、龐炳勳等部紛紛投降，為保存實力，馮玉祥只好命令國民軍撤往南口。
南口是國民軍長期經營的一座堅城，在馮玉祥倒“奉”之前，馮玉祥就曾邀請蘇聯專家赴南口修築陣地。經過一年多的準備，南口的防禦陣地已經完成。馮玉祥來到南口之後，決定對該地防線重新佈置，1926年3月，馮玉祥親自帶著國民軍中的參謀和設計人員來到了南口。
南口貫穿於直綏兩地之間，屬於燕山山脈的一個山口，從南口鎮往西，就是綏遠省地界，而往東就是直隸行政區。在南口鎮山腳一處，為京綏鐵路的連接線，如果直奉兩軍要攻下南口，鐵路線便是重中之重。馮玉祥詳細查了南口當地的國民軍防線，他對南口蘇聯專家設計的陣地非常滿意，並認為這是攻不克的堡壘。
原來，除了南口鎮本身優越的伏擊地形外，國民軍還在燕山山口、山腳處修建了大量的人工碉堡，這些堡壘可以容納五到六位士兵，如果在碉堡封口處架上機槍，直奉聯軍很難靠近。除了這些碉堡，國民軍還在南口一線修築了大量密密麻麻的射擊陣地，如果國民軍將步軍全部埋伏於溝壑兩側，再加上機槍、手榴彈的掩護，奉直聯軍也必定會損失慘重。
有了這麼多的地利條件，馮玉祥認為南口固若金湯。他在視察南口車站時，又發現了南口車站阻敵的有利地形，在馮玉祥的督促下，士兵連夜修築工事，於是環繞南口車站和古本口的機槍陣地、炮兵陣地又成為了馮軍的第二道防線。
國民軍在南口的防線可以說是做到了精益求精，那麼擁有這麼多溝壑，這麼多碉堡的馮軍，在南口大戰中的表現如何呢？
1926年4月，直奉聯軍開始向南口陣地的機槍堡壘發起了進攻，剛一開始，這些由蘇聯專家設計修築的機槍堡壘的確非常堅固。奉直兩軍數次進攻，都被國民軍擊敗，為了擊退奉直大軍，馮玉祥緊急調回了在保定一線作戰的第十師和第十一師。第十師和第十一師是國民軍的精銳部隊，兩師師長劉汝明和佟麟閣都是久經沙場的名將。馮玉祥為遲滯奉直聯軍的進攻，將這兩個師用到了南口戰場。
擔任正面防禦的第十師劉汝明部打得非常頑強，在戰爭緊要關頭，劉汝明甚至親自帶著西北軍大刀隊殺入敵陣，奉軍于學忠部一度退守十里。
戰役初期，利用南口有利的地形，國民軍給奉直兩軍造成了很大的傷亡，吳佩孚為督促直軍前線部隊靳雲鄂部和寇雲傑部，曾親自赴前線進行指揮。當他看到南口國民軍密密麻麻的射擊點後，決定先用炮火打開缺口。
吳佩孚和張作霖商議，以南口現有的防禦碉堡，奉直兩軍要想完全攻克南口，非要付出重大傷亡不可。若想拔掉南口這顆釘子，就需要先摧毀南口的防禦堡壘。於是，奉軍和直軍集中所有的炮火，開始向南口國民軍陣地發動炮擊。在炮擊的同時，張作霖還電令奉軍空軍對南口外圍陣地進行轟炸，因為缺乏攻堅重武器，國民軍所修築的機槍堡壘便悉數為奉直聯軍所拔除。
奉直聯軍的炮擊，打垮了國民軍的一線防禦陣地，劉汝明和佟麟閣為減少傷亡，只好率軍後撤至南口車站。與此同時，吳佩孚也利用京綏鐵路源源不斷地為直軍輸送生力軍，於是奉直聯軍士氣大振。
南口車站和古北口防線是國民軍的最後防線，在第二期戰役中，劉汝明的第十師打得非常頑強。在南口車站附近，一批批的直軍士兵被國民軍擊斃，而國民軍本身也出現了很大的傷亡。據劉汝明戰後回憶，第十師最終從南口撤離時，已經傷亡過半。若不是撤退及時，恐怕第十師都有全軍覆沒的危險。
劉汝明師在南口車站巋然不動，其它戰場的國民軍卻在紛紛退卻，原來在南口激戰正酣之時，西北軍內部卻出現了瓦解的傾向。原國民軍第二軍的徐永昌已率部投降了晉軍，而過之綱、張之江等西北軍餘部也在其它戰場遭受了重創。4月中旬，奉軍、直軍和晉軍、直魯聯軍已經從三面包圍國民軍，馮玉祥眼看大勢已去，只好命令部隊退至綏遠包頭。
第十師劉汝明部是國民軍最後退卻的部隊，為掩護國民軍主力撤退，劉汝明曾率領十師餘部阻擊敵軍。在毀掉了南口所有的防禦陣地後，劉汝明也匆忙率軍向國民軍主力靠攏。因為是最後撤退的隊伍，劉汝明部也險些遭遇重圍。原來佟麟閣等軍撤退後，劉汝明奉命斷後，就在他們即將撤退的時候，奉軍和直軍主力卻將他們的退路截斷。為了爭取時間，劉汝明命令部隊丟掉全部“鍋瓦瓢盆”，火炮和輜重汽車也被劉汝明下令遺棄。由於其指揮有方，所以第十師很快撤出了陣地。
南口之戰是民國軍閥混戰史上的一個序幕，它有力支援了廣東國民政府軍北伐。國民軍從南口撤出沒多久，廣東國民政府軍就開始了北伐。當時，奉直兩軍還沒有從南口的泥潭中走出來，便又立刻投入了戰場。以疲憊之師阻擊北伐軍，吳佩孚和孫傳芳當然會遭遇大潰敗。南口之戰後，馮玉祥加強了與廣東國民政府軍的聯繫。1926年9月，馮玉祥率領所部參加北伐軍，由此轟轟烈烈的國民大革命便爆發了。
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