1931年2月初，石友三到沈阳面见张学良，张学良让他多住几天，狡诈多疑的石友三却匆匆离开，回去后还问人：“是否张副司令要扣留我？" 1930年9月，蔣介石与冯玉祥、阎锡山在中原地区大战正酣之际，张学良受蒋介石拉拢，发表拥蒋通电并派东北军精锐入关。中原大战结束后，蒋介石命令张学良负责处理华北军事善后事宜，所有晋军、西北军及石友三的军队，均归张学良节制整顿。 当时的石友三，表面上对张学良表现得非常恭敬，他向张学良呈报，称其兵力为二个甲种师、四个乙种师、及一个骑兵旅及特务团、炮兵团、工兵团、铁甲车大队等部，总兵力约六万余人。 蒋介石核定石友三部每月的军饷为六十万元，由张学良转发。不断扩军的石友三，是不满足这点军饷的，他不断要求增加，后来张学良又每月增拨军费十万元。而跋扈自雄的石友三，在平汉线铁路还扣留了十六列车皮，不肯交还，后经南京方面向张学良多次汇报，张学良一再劝说石友三之后，石友三才勉强交还车皮十列，但仍扣留六列。由于张学良对石友三一直采取宽容的姿态，这就让石友三反而有恃无恐，认为不敢拿他怎么样。 石友三领取军饷后，花费十三万元，在天津日租界购买楼房一所，期间，他与天津的日本特务来往密切。到了1931年4月，石友三部开始有反常举动，石友三让所部在其防区附近，大事挖掘沟壕，而对外却解释说："本军修筑沟填是为防御水患，以兵代工，外界的一些说法是不实的。” 为了掩饰阴谋，石友三还派他的参谋长唐邦植、驻北平办事处长毕广垣面见张学良，表示绝对服从张学良。张学良让唐邦植转告石友三：“东北军矢志和平，希望汉章(石友三字)能够直系，如有存心破坏和平者，实为天下公敌，望汉章体谅我的苦心。” 5月，汪精卫、陈济棠、李宗仁等人在广州另组国民政府，并派代表联络石友三，一直想夺取平津地盘的石友三也蠢蠢欲动，准备起兵。 这时，张学良的北平行营司令部的职员里，有一个叫蒋宗标擅长破译各种电报密码。在6月初，蒋宗标截获并破译了石友三致张学成的密电（张学成是张学良的堂弟，自幼由张作霖抚养成人，素有野心），电文的大意是：石友三即将率部进攻平津，之后徐图东北，希望张学成和日方联系。 石友三的电文引起了副司令行营的注意，6月28日，行营参谋长戢翼翘（当时张学良在协和医院治病，无法理事）召集万福麟、王树常、鲍文樾、王树翰、于学忠等东北军骨干将领开会，商议后认为石友三叛变在即，决定再从东北抽调三个步兵旅，一个炮兵旅入关，平津地区的东北军做好警戒及战斗准备。 7月初，石友三的倒戈已经半公开化了，于学忠和戢翼翘商议后，决定让于学忠以平津卫戍司令的名义，到順德检阅东北军白凤翔的騎兵旅，其实就是趁机看一看石友三的动态。 于学忠在路过石友三的防地时，石友三亲自带人迎接，态度热情，但是石友三手下的几个将领则显得局促不安，且不敢和于学忠谈话，于是于学忠断定石友三马上就要反叛了。 回到北平后，于学忠在行营的会议上指出：石友三部肯定要妄动，但是一旦反叛必然失败。这是因为，其一，石友三没有根据地，只占了六列火车，不能离开铁路线，东北军如以少数的部队与之接触，不让石部往津浦线转移，以逸待劳，诱其深入，即可将其消灭；其二，石友三的鸦片瘾很大，无法长期指挥作战，加上他对东北军的战斗力一直很轻视，所谓骄兵必败；其三，从表面上看来，似乎石友三善于练兵，士兵的战斗意志也不错，但其实石友三不注意士兵的生活，长期欠饷，士兵有贰心。 为何于学忠认为石友三的部队有贰心呢？原来，此前，于学忠曾观察过石友三部，发现石部士兵穿得都很破烂，大部分士兵穿的鞋都是用麻绳捆着的，士兵们的怨气都很大。再加上石友三为人反复无常，手下不少人也很反感他的做派，内部离心离德很严重。 就在东北军秘密部署兵力时，石友三故作姿态，派驻北平办事处长毕广垣到北平行营，讨要军饷。于学忠托人给石友三带去亲笔信，劝他要为整个大局着想，处事要冷静。很快，石友三就写来回信，信誓旦旦地在信中说：“我绝对听从大哥的话。” 于学忠看了石友三的信后，一度还信以为真，结果几天后传来了石友三活埋其秘书长张云责的消息，起因就是张云责反对石友三倒戈。 7月18日，石友三起兵，在顺德就任广州方面所委任的第五集团军总司令。石友三起兵后，在东北军和蒋介石派去讨伐军的南北夹击下，很快就被击败，7月31日，全军覆灭的石友三逃往山东，投靠了韩复榘。 讨伐石友三之战，虽然前后不过半个月，但是却对于东北方面的影响极大。由于石友三之变，张学良将留在关外看家的大部分东北军精锐调入关内，致使东北地方防务空虚，为日军发动“九·一八”事变造成了便利条件。
