在应付日本人的同时，张作霖严令必须将涿州拿下。东北军第一次用来进攻涿州的部队，乃是张学良选派的卫队旅。卫队旅成立于联合军团之后，辖三个团，官兵大部分为讲武堂毕业生，无论装备还是训练都属上乘，因此它名为卫队，其实是一支较为精锐的野战部队。
涿州当时已是孤城，在很多人看来，只要卫队旅上去，攻陷不成问题，张学良自然也很希望能乘这个机会取得战功，可是事与愿违，卫队旅不但攻势受挫，死伤惨重，而且还被出城的晋军袭击了后方，结果被迫后撤至涿州清凉寺。
张学良闻讯，急速增调三万余人进行围攻，并且亲临涿州上空视察和督战，摆出了一副不达目的誓不罢休的劲头。自1927年10月16日至27日，东北军连续进行四次总攻击，火药、大炮、坦克乃至于坑道战、毒气弹，能用的都用上了，光大炮就动用了一百余门，日夜进行轰击，声闻百里，可就是奈何不了城池和守军。
涿州虽在平原地区，近郊无险可守，但城垣既高且厚，不仅利于守城，而且便于观察：城外攻城部队看不见城内情况，城里向外看则了如指掌。
同时傅作义又是一个善于利用城垣险要进行防御的将领。事后东北军进城参观守城设施，发现四面城墙上都凿有散兵及机枪掩体，掩体内有机枪壕，局部城墙则被挖空，用以设置射击孔，平时这些射击孔用城砖堵上，临战射击再取下来，足以打攻城部队一个措手不及。甚至于，城内还设有临时性工厂，专门生产一种重量相当于普通手榴弹四倍的特大手榴弹，加上每个连都配有“花机关”（晋造手提机关枪），近战火力以及防御能力都很强。
经过多次总攻击，东北军仍然是一筹莫展，而晋军却愈战愈勇。张学良只好派人劝降，劝降者中有一位是傅作义在保定军校的战术教官。傅作义拒绝投降，他在回信中说：“老师你只教过我学战术，并没教我学投降啊！”
在第九次总攻击失败后，被张作霖派去做前敌总指挥的万福麟向他报告：“涿州已是非力攻所能拿下的了。”张作霖闻言，气急败坏地下达了命令：“不用打啦，把涿州四周挖上壕沟，架上铁丝网，他们不投降，就把他们饿死在城里。”
因围城日久，城上城下的双方士兵可以经常对话，张氏父子又想利用第一线士兵对晋军进行瓦解。当时已是隆冬，晋军入城时穿的都是单衣，且吃光了军粮，只能将酒糟用石磨磨了吃下充饥，可谓是饥寒交迫，然而当东北军士兵用粮食、棉衣来拉拢他们时，却收效不大，只有极少数晋军士兵因为同乡关系，从城根的工事里走出来投降东北军。
傅作义和他的部属坚持了两个多月，他们用行动向攻城者完美地诠释了什么叫作军人的意志和品格。此时对晋军而言，死守涿州已失去战略作用，阎锡山授意傅作义与晋军进行停战谈判。傅作义同意向东北军投降，条件是无论官兵，一律不能杀害。
1928年1月6日，傅作义下令打开涿州城门，自率高级军官、幕僚走出南门，万福麟等人在南门外大奏军乐，“摆队相迎”。当天傅作义身着便衣，负伤的一只手还挂在绑带里，他对欢迎的人群拱手致谢，连说：“不敢当，不敢当！”
战后，张学良用专车将傅作义接去保定，待之以上宾，隐约间似乎还有笼络和重用的意思。只是落花有意，流水无情，傅作义不久便乘人不备，换商人装逃回了山西。
从表面上看，涿州一战，应该是晋败奉胜，可结果却好像倒了过来，傅作义靠这一战成就了晋军善守之名，东北军则被弄得灰头土脸，尤其张学良“心里很难过”，他对张作霖抱怨说：“我们今天打的这个仗，到底为了什么？今天跟这个打，打过之后又好了，明天又跟那个打，没有任何目的嘛。”