此次出兵乃以国民军名义，各路编制如下：
第一路总指挥石敬亭
第十五军过之纲
第三十一师高去骄
第三十二师王玉亭
第三十三师高群英
第四旅邹佩环
第十六军王冠军
第三十四师
第三十五师王克明
第三十六师庞振江
第十七军门致中
教导师刘燕泉
特务师葛云龙
第二路总指挥孙良诚
第一军梁冠英
第一师万阐民
第二师戴藩周
第一混成旅張升永
第二军程心明
第三师尚德成
第四师张印湘
第四混成旅王康德
第三十七师王和民
第三路军总指挥刘郁芬
第十军吉鸿昌
第二十二师李伦祥
第二十三师李松崑
第二十八师冯安邦
骑兵第四师苏雨生
第四路军总指挥宋哲元
第三军魏凤楼
第五师董振堂
第六师米文和
第七师鹿文彬
第十一军冯治安
第二十四师田春芳
第二十五师赵登禹
第二十六师张自忠
第十四军陈毓耀
骑兵第五师王金銮
第三十八师周永胜
第五路军总指挥刘汝明
第十二军刘汝明
第二十九师李金田
第六路军总指挥庞炳勋
第四军张凌云
第八师于培尧
第九师马式彬
特务团蔡克仁
第六军庞炳勋
第十二师马法五
第十三师余远彰
第三混成旅陈春荣
第七路军总指挥张维玺
第五军田金凯
第十师赵廷选
第十一师张汝奎
第十二师乜玉岭
第八军张维玺
第十七师赵凤林
第十八师王和祥
第六混成旅王致远
第八路军总指挥孙连仲
第九军孙连仲
第十九师高树勋
第二十师安树德
第二十一师施积枢
甘肃第四旅马步芳
第十三军赵席聘
第三十九师刘兆祥
第三十师李兆锟
骑兵第十一旅崔全和
第二混成旅雷中田
独立奇兵第一军郑大章
骑兵第二师刘凤岐
第十旅王鸿勋
冯军各将领公推宋哲元为本军总司令，孙良诚为前敌总指挥，10月11日，全军分三路出发，向河南进攻。
北路由孙良诚指挥，沿陇海路出潼关东进，进攻巩县、登封；中路由孙连仲、刘汝明指挥，出紫荆关，进袭南阳；南路由张维玺指挥，从汉中、兴安出老河口。所有后方全军总部事务由石敬亭负责，驻守西安。陕西省政府事务由民政厅长邓长耀、建设厅长张维藩代理。
国民军最开始的攻势非常凌厉，大家都憋了一口气，以舒自北伐以来所受的种种不公正对待。10月12日，孙良诚部攻占巩县，驻守的唐生智部退往郑州。13日，宋哲元将总部由西安移至潼关。25日，至洛阳，并发出总攻击令。28日，宋哲元赴偃师前线视师。同日，梁冠英部攻占登封，击溃魏益三部。11月中旬，南路军攻入豫南及鄂北的谷城、老河口一带，并向襄阳前进，武汉震动。这次讨蒋是宋哲元首次独立统帅全军，逐渐暴露其对大兵团指挥作战的不足与驾驭将领能力的欠缺。但是他能够代替冯玉祥统帅全军公然向蒋介石宣战，而且出师顺利，首战告捷，这是蒋介石及各方领袖始料不及的。也就是从此次反蒋战争，宋哲元的名字开始蜚声全国，从此为世人所瞩目。
10月11日，蒋介石下令对国民军进行讨伐。第二天发布公告，对宋哲元“破坏编遣，背叛中央，称兵作乱，罪迹昭著，”下令“着即免职，缉拿惩办。”同时，进行了兵力部署：
右翼军第五路军唐生智
第八军刘兴
五十一师龚浩
五十三师刘兴
骑兵第一旅安俊才
第九军何成浚
第十四师刘春荣
第五十四师魏益三
第十军杨杰
第四十七师王金钰
第四十八师徐源泉
在郑州以西巩县、登封一带抵御潼关方向的国民军。
中路军第一路军方鼎英
第三军王钧
第五师熊式辉
第七师王钧
第四军阮玄武
第十师方鼎英
第四十四师阮玄武
从舞阳、西平一带向西进攻。
左翼军第二路军刘峙
第一军顾祝同
第一师刘峙
第二师顾祝同
独立第三旅李云杰
第二军蒋鼎文
第六师赵观涛
第九师蒋鼎文
第十一师陈诚
独立第四旅罗霖
集中襄樊、老河口，伺机北进。
预备军司令夏斗寅
第十三师夏斗寅
新编第一师曹万顺
新编第五旅关麟征
独立第十二旅彭进之
南阳守备司令杨虎城新编第十四旅
总预备队司令官陈调元
第四十六师范绩熙
第四十九师任应歧
新编第一旅岳盛宣
独立第十旅高桂滋
随着战事发展，国民军暴露出后劲不足的弱点。
首先在人力、物力、财力、武器装备上无法与蒋介石相比拟。国民军从诞生的那一天起就是穷字当头，北伐后分得的地盘又都是西北贫瘠、苦寒之地，后来中央答应的经费基本没有落实，幸亏部队的凝聚力比较强，尚能维持。
其次在政治上没有设么明确的主张，号召力也不强。而且冯玉祥的人缘也不太好，与蒋介石矛盾很深的唐生智对其特别反感，一心一意同国民军为敌。蒋军的进攻部队大多是杂牌军，或多或少与中央都有点矛盾，国民军不善于拉拢，反而歧视，致使支持冯玉祥的派系很少。蒋介石是名义上的中央，这一点占了很大的便宜。蒋介石发表了一个《告全国将士书》，指责国民军是“封建集团”，表示不消灭这个封建集团全国就不能统一。而宋哲元对此竟然无言以对，无法赢得全国各派系的同情支持。
还有非常关键的一点，就是国民军又一次上了阎锡山的当。
当时的蒋介石日子也不好过，他面临全国各个地方实力派的武力反对，又在东北让张学良发动“中东路事件”反苏不利，国内舆情也多偏向反蒋力量的重重压力之下，他又想到了尚未出面反对自己的阎锡山。于是，冷清了一段的南京—太原电报线又热了起来，蒋介石通过在中央任监察院长的赵戴文和在北平的何成浚与阎锡山频频往复，重又祭起国家名器这一法宝，想以兑现先前在北平晤阎时允诺的“陆海空军副司令”一职换取阎锡山在政治、军事上的支持。
鉴于阎锡山之举足轻重的地位，虽然他假以姿态，一再推诿，蒋介石仍不放手，随即又让赵戴文于24日电报说项：“大局如此，山西如此，党国成败，几乎全系钧座一身，重何如之。文已定为党国牺牲，钧座如能最后扶助党国完成革命，亦一大快事也。再者近日得到情形如下：（一）广西事完全解决。（二）张发奎在湖南亦快解决。（三）到广东的一八两师，已由粤返京。（四）中央此回用兵，最小限度要将陕西、宁夏两省拿回来。（五）钧座须多与雪竹、耀廷两兄通电。（六）中央望钧座快表示者，一半是在分化西北军，一半是在坚固中央军队的心。文在此间，欲使各方面知道钧座苦心，钧座将于中央的著急处亦要与雪竹、耀廷常通电，这回事方能做成。（七）因读钧座漾戌电忽然想起吴稚晖前日与文说的一段话来，吴云：此回不将改组派打下去，中国全境没有一个能安生者，百川治晋十八年来，成绩甚好，但这回事，如能用从前‘保境安民’的法子，转眼恐山西亦成了个大乱的省份，请将此意切告百川明白。”
赵戴文24日电可说是忠告形势，晓以利害，甚至带有“哀的美敦”的意味。阎锡山见蒋用兵决心甚大，又受赵电及蒋介石说客方本仁的影响，即日回电，就其暂不能就任副司令进行解释，并原则答应了遵从任命：“自古以来，处事不能有经无权，……现孙良诚、庞炳勋虽到前线，尚未大接触，魏凤楼、宋哲元两部仍在潼关一带，张维玺、田金凯犹在汉中，刘汝明未出紫荆关，吉鸿昌从宁夏开拔，预计非有两星期左近，大部不能离开陕境。前线不能粘住，未至此种程度，我绝不能有所表示。谭、胡、戴诸公不谅解，无足深怪，终必有谅解之一日。此计划已与雪竹深切言之，耀廷已略与之谈及，自当随时与两君电达也，不必定为只缓一周，时机一到，我即有所表示，彼时中央再为发表，于国于省均有莫大好处。我平日不肯用权，这回事关系太大，故不惜一做。至冯方宣传，近日更甚，故意向各处发电，不曰与我赴平组织，即曰我曾接济饷弹，其用意在急求煽惑也。”
阎锡山的等待观望使西北军处于内外无助的境地。而到了11月5日阎锡山通电就任南京任命的“中华民国陆海空军副司令”一职，并在北平、太原等地召开“讨逆大会”，对宋哲元等来说不啻为雪上加霜。从此，国民军诸将领深深衔恨于阎锡山的言而无信，成为中原大战中两军不能融洽合作的起因。
最后，也是最重要的一个原因就是内部的不团结。
对于这一点冯玉祥本身有责任，他对于手下的将领一贯喜欢越级指挥、提拔，使他们多数只服从自己一个人，有时甚至反对自己的主官，冯玉祥也不加指责，更助长了一部分宠将的骄横。他练兵绝对是一把好手，但是将将就明显能力不足了。很明显，他不知道如何培养自己的接班人。冯玉祥的五虎上将，到后来的十三太保，都是同样的扶植、栽培，使这帮弟兄不分大小，互不服气。冯玉祥在的时候争强好胜，各显神通，仗打得越发的好；可一旦冯玉祥不是亲自指挥，就坏事了。南口大战就是个明显的例子，冯玉祥远游苏俄，结果总司令张之江根本就指挥不了那些骄兵悍将，国民军险些溃散了。这一次由宋哲元出任总司令，冯玉祥的爱将孙良诚就第一个不服。当然，孙良诚不论是作战能力还是作战功绩都算是国民军中的佼佼者，然而论资历他无法与宋哲元相比，而且其性格也不适合统帅全军，大家包括冯玉祥都赞成宋哲元是有道理的。
孙良诚部是此次进攻的主要方向上的主要力量。孙部攻势锐利，11月初即占领了密县、新郑一带，对郑州形成了半包围的态势。但是由于孙部进展神速，其他各部没有相继跟进，显得有些孤军深入。郑州唐生智拼力反击，双方战事逐渐胶着，而山西的阎锡山违背诺言，按兵不动。孙良诚为了保存实力，等待援兵，实行缓兵之计，暗中与唐生智互通款曲。对方为了促成孙良诚阵前倒戈，除了诱以高官厚禄，还将消息故意泄露，以逼孙就范。
洛阳的宋哲元风闻此事，鉴于韩石的反叛，不由得不起疑心。于是将增援部队急速后撤。而孙良诚对面的蒋军见孙摇摆不定，有意拖延，乃展开猛烈进攻，蒋介石并亲自到郑州督战。在蒋军的三次大规模攻势后，孙良诚孤军陷敌，不得不仓皇撤退。11月16日，失登封；20日，失洛阳，囤积洛阳的大量军用物资不及抢运，陷于敌手。南路军见陇海路失利，也被迫后撤，于22日失老河口、谷城、南漳等地。
11月下旬，各部陆续退回潼关。反蒋之战暂告失败。
冯玉祥在山西痛恨阎的背信，愤而绝食，经李书城、王瑚（冯的顾问）等力劝，冯才复食。