西安事变和平解决后，1936年12月25日，张学良送蒋介石回南京，从此一去不复返，于是轰轰烈烈的壮举之后便揭开了千古遗恨的悲剧序幕。近20万东北军群龙无首，并在主战主和问题上发生严重分歧，最后竟发展到内部残杀。
1937年2月2日，不顾大局的东北军少壮派应德田、苗剑秋、孙鸣九等人杀死东北军元老派67军军长王以哲、西北总部参谋处处长徐方、副处长宋学礼和交通处长蒋斌等人。血案发生后，王以哲的至交、第105师师长刘多荃为了替王以哲报仇，将部队开进西安搜捕少壮派军官，诱杀了对促成东北军联共抗日有功的旅长高福源，致使内部残杀的悲剧愈演愈烈。危急关头，中共代表周恩来苦口婆心多方做工作，才避免了事态的进一步扩大。
1937年3月东北军高级将领轻率地接受了蒋介石提出的东北军东调的“乙案”，钻入了各军不相统属、部队分割使用的圈套。东北军遂东调，分驻豫南、皖北、苏北地区。4月到6月，南京政府对东北军进行整训、缩编，化大为小，化强为弱，由每军四师的甲种军缩编成每军二师、每师二旅的乙种军编制，仅骑兵第2军保留三个师。
整编后的东北军有6个军:第49军，军长刘多荃，辖第105师（师长高鹏云）和第109师（师长赵毅）；第51军，军长于学忠，辖第113师（师长周光烈）和第114师（师长牟中珩）；第53军，军长万福麟，辖第116师（师长周福成）和第130师（师长朱鸿勋）；第57军，军长缪徵流，辖第111师（师长常恩多）和第112师（师长霍守义）；第67军，军长吴克仁，辖第107师（师长金奎壁）和第108师（师长张文清）；骑兵第2军，军长何柱国，辖骑兵第3师（师长徐良）、骑兵第4师（师长王奇峰）和骑兵第6师（师长刘桂五）。
西安兵谏后叛离东北军的第106师（师长沈克）、骑兵第10师（师长檀自新）、炮兵第6旅（旅长黄永安）、炮兵第8旅（旅长乔方）均依附蒋军另立门户。原由东北义勇军编成的冯占海的第63军番号被撤销，仅保留了第91师。另外，抗战爆发后，马占山还受命组建了一支新的部队——东北挺进军。
在抗日战争和解放战争中，东北军被蒋介石分割使用于各个战场，逐步被削弱、肢解、消灭，也有一部分在战场上起义，走向了新生。
第49军
1937年8月中下旬，日军开始沿津浦路大举南犯。刘多荃率第49军进驻沧县及静海附近。8月21日，由日军第10师团步兵第10联队主力组成的右侧掩护队，开始向静海前进。49军之一部立即加以阻击，与敌发生激烈战斗。日军以猛烈的炮火向静海轰击，49军守军奋力抵抗不支，被迫向南撤退。
1937年10月底，49军被调到淞沪战场。105师在钱江弄、江桥一线坚守阵地，遭到日军重火力猛攻，626团团长顾忠全阵亡，该团一营伤亡过半。109师在纪王庙、马同桥一线与数倍日军苦战，四个团长中高睦姻、姜奎举等三个团长相继阵亡，营长伤亡了2/3。109师一个整师基本打光了。
尽管第49军损失惨重，但蒋介石在战后根本不理睬其整补的要求。万般无奈之下，刘多荃带着109师师长赵毅亲自到武汉去活动，花了好大一笔钱才打通了门路，调来了全部徒手的预5师补充109师。预先讲好条件，赵毅仍为109师师长，原预5师的团长以上主官全部留任。
