1930年3月15日，以晋系商震和西北军鹿钟麟为首的57名来自冯、阎、桂三大集团的将领联名通电倒蒋，拥戴阎锡山为中华民国陆海空军总司令，冯玉祥、张学良、李宗仁为副总司令。3月21日，阎锡山、冯玉祥公开发出倒蒋通电，全国各反蒋之大小军阀陆续响应。4月1日，阎锡山在太原宣誓就任中华民国陆海空军总司令，冯玉祥和李宗仁也于同日分别在潼关和桂平就任副总司令，张学良没有表态。接着，阎锡山召开高级军事会议，决定集结重兵，沿平汉线、陇海线和津浦线三路进击，直取南京。4月4日，蒋介石以国民政府的名义下令免去阎锡山所任各项职务，并通令拿办；5日，蒋介石下令讨阎，中原大战爆发。

中原大战是一场规模空前的军阀大混战，战争双方投入的总兵力共计超过一百万人，战线绵延数千里。1930年5月11日，中原大战正式打响，双方都将主力置于陇海线上进行较量。起初，蒋介石攻势极猛，位于陇海线正面的晋军遭到惨重损失，冯军也因将领倒戈而出现混乱；后来，阎、冯两军经过重新部署，稳住了阵脚，旋即发动全线进攻，在平汉线及陇海线上大败蒋军，期间阎锡山派兵奇袭蒋军设在归德的指挥部，差点生擒蒋介石。从5月22日开始，蒋、冯、阎激战于鲁、豫千里战场，战况十分惨烈。双方在开封以东一带投入60多万兵力，伤亡达20万，战况呈现拉锯之态。与此同时，石友三率兵东渡黄河，向济宁方向前进，牵制蒋军，使晋军得以在津浦线上顺利行进，并于6月25日轻取济南，联军进而向徐州、蚌埠进逼。至7月下旬，晋军已经控制了泰安、兖州以北地区。

与此同时，蒋介石还在平汉线上对许昌发动猛攻，冯军拼死抵抗，固守近一个月，终于迫使蒋军南撤。在湖南战场，张桂联军挥师入湘后，于6月4日攻占长沙，6月8日攻克岳阳，兵锋直指湖北。但由于未能与冯阎军形成夹击之势，势单力孤的张桂军很快陷入了蒋军的包围，并于7月初退回广西。

7月下旬，蒋介石作出战略调整，决定把主战场从陇海线转移到津浦线，实行主攻阎军拖跨冯军的战略。8月初，蒋介石沿津浦线分兵三路进攻晋军，晋军节节败退，阎锡山急忙派人携带大批现款、面粉和弹药赶到郑州请冯玉祥支援。8月4日，冯玉祥为牵制蒋军对津浦线的进攻，在陇海线上发动全面攻势，准备一举拿下徐州，与晋军会师，蒋介石则下令陇海线各部死守。当时正值大雨连绵之季，冯军行军疲惫，攻势受阻，而阎锡山则出于保存实力，下令军队对津浦线采取守势，结果将冯军孤悬在陇海线上，使之失去呼应。8月11日，蒋军对泰安晋军发动进攻，血战五日，于8月15日占领济南，晋军大部被俘，主力损失殆尽，败退至黄河以北。

晋军在津浦线战败后，战场形势骤变，蒋介石趁机将主力移至陇海线，同时也向平汉线增兵，将冯军置于腹背受敌的险境。8月底9月初，蒋介石向冯军发起猛攻，此时冯军主力仍在郑州一带，准备与晋军联合，与蒋军决战。然而这期间，阎锡山为保存实力，已陆续将陇海线上名为归冯玉祥指挥的晋军秘密调回了山西，使冯军陷于孤军作战的境地，形势急转而下。

中原大战爆发后，阎锡山曾电请汪精卫北上主持党务，同时，在阎、冯等人的发起下，改组派和西山会议派等反蒋各派，在北京联合成立了“中国国民党中央党部扩大会议”，汪精卫被奉为“扩大会议”的领袖。改组派属国民党左派，而西山会议派属右派，二者本是势不两立，但此时双方都遭到蒋介石的排斥和打击，深感只有团结一致，才能对抗蒋介石的军人独裁，因此才暂时摒弃前嫌，握手言和。1930年8月7日，“中国国民党党部扩大会议”在北平中南海怀仁堂正式召开，改组派汪精卫、陈公博等人，西山会议派谢持、邹鲁等人，以及军事实力派阎锡山、冯玉祥等人都参加了会议。会议由汪精卫主持，颁布了《国民政府组织大纲》，宣布成立国民政府，阎锡山当选政府主席，在领导分工上，汪精卫主党，阎锡山主政，阎锡山和冯玉祥共同主军。1930年（民国19年）9月9日上午9时，阎锡山在北平怀仁堂宣誓就职为国民政府主席，北平国民政府成立，时称“四九小朝廷”。

然而，“四九小朝廷”成立之时，反蒋联军的战场形势已经非常糟糕，在蒋介石的大举反攻下，联军节节败退，阎锡山不得不电请张学良相助。虽然早在中原大战爆发前的1930年3月，反蒋阵营就曾任命张学良为中华民国陆海空军副总司令，但张学良却始终没有表态；到5月战争全面打响后，张学良也一直骑墙观望、严守中立。后来，蒋介石和阎冯联军在付出了30余万人伤亡的巨大代价后，将中原大战成败的主导权交到了张学良手中，可以说，张学良此时加入哪个阵营，哪个阵营就将取得胜利的主动权。因此，交战双方都把张学良视为决定胜负的筹码，积极进行拉拢，蒋介石也送去了和阎锡山同样的委任状，并将数百万巨款汇至沈阳。到了9月，眼见中原战局开始向有利于蒋介石的方向发展，张学良遂于9月18日通电拥蒋，东北军最终倒向了南京政府。

1930年9月21日，张学良派20万东北军入关，当日即占领天津，26日进入北平，进而控制了整个华北。阎锡山见大势已去，发表通电声称“愿退避三舍”，并令晋军全线撤退；蒋介石则趁此机会大举进攻冯玉祥，冯玉祥四面楚歌，部将吉鸿昌、庞炳勋、梁冠英等先后降蒋，冯军全线崩溃。10月1日，蒋介石攻占许昌，3日占开封，6日克郑州，冯军向洛阳和潼关一带退却，至此，冯玉祥苦心经营多年的西北军彻底瓦解。11月4日，冯玉祥、阎锡山通电下野，中原大战宣告结束。

当时，有人画了一幅漫画：阎锡山一手拿算盘，一手拿帐本；蒋介石一手拿钞票，一手拿飞机；冯玉祥一手拿大刀，一手拿窝头。这便是对蒋、阎、冯三方在中原大战中形态的准确、生动的描绘。

经过中原大战，张学良的势力和声望高涨。10月9日，张学良在沈阳宣布接受蒋介石委任的中华民国陆海空军副总司令一职。为感谢张学良参战，蒋介石于11月特邀张学良及夫人于凤至到南京，并以最隆重的仪式和最高的规格接待了张学良夫妇，还亲自陪他们拜谒中山陵，游览汤山（1929年6月1日，南京政府将孙中山灵柩奉安南京紫金山中山陵）。于凤至拜宋母为干娘，与宋霭龄、宋美龄以姐妹相称，蒋介石也和张学良换了兰谱，结拜为异姓兄弟。蒋介石推张学良为国府委员，并授张学良以节制辽、吉、黑、晋、冀、察、热、绥八省区军队之全权，还将北平、天津、青岛三市及河北、察哈尔两省划归张学良管辖。与此同时，大批奉系成员也进入了南京政府。张学良也投桃报李的表示“誓尽精诚，以拥护中央”。

与张学良的风光无限大相径庭，冯玉祥战败下野后，其军队被蒋介石和张学良收编，冯玉祥自己则沉寂隐居，直到“九一八”之后才又被选为国民党第四届中央执行委员、国民政府委员，重出政坛。阎锡山和冯玉祥不同，他虽然战败，但还没有把老本儿都赔上，仍然盘踞山西，控制着当地的武装。后来，阎锡山化装潜入为日本人所控制的大连，遥控山西各将领，使他们在中原大战后表面接受张学良裁编，实则是按照自己的意思进行调整。到1932年，阎锡山又恢复了国民政府委员、军事委员会委员等职务，并当选国民党中央执行委员，从此与蒋介石重新合流，再度统治晋绥两省。