确定石友三的反意后，张学良决定采取主动出击的策略，以免石友三日益坐大或与日本人、广州方面、阎锡山等人有更多的密谋。张学良知道日本人素来视自己为眼中钉肉中刺，如果日本人大力支持石友三来反叛自己，从而让东北陷入内乱和分裂，那后果就不堪设想了。此时东北境内的日本人已经蠢蠢欲动，隐隐有全面动手的迹象。既然要攘外，肯定要先安内，石友三这种内部不稳定分子早一天铲除，就能早一点避免内外祸乱勾结起来。因此张学良不等石友三动手，先下手为强。对这种不忠不义之徒，张学良当然不会搞什么正大光明的手段。5月31日，王树常和孙殿英接到张学良的命令，率领第6军、第7军挥师北上，直扑张垣，而安插在石友三身边的第120师石文华部也突然进攻，连夜攻占了张垣以西的万全县，截断了石友三向西逃入山西境内的道路，顿时让石友三措手不及。次日中午，王树常和孙殿英率领着第6军、第7军的第118师、第130师、第40师（西北军孙连仲部），以及三个骑兵旅、两个炮兵团气势汹汹杀到张垣城下（第7军第126师驻守承德，没有参战）。东北军以炮兵部队猛轰石友三叛军的阵地，同时以骑兵群冲击石友三在城外的部队，又出动飞机猛烈轰炸石部叛军。石友三看到孙殿英也参加对自己的作战，如梦初醒，破口大骂孙殿英“背信弃义、不得好死”，随后他急忙联系宋哲元、庞炳勋、傅作义、徐永昌等原先答应和自己同时起兵反叛的西北军和晋绥军将领，都没有得到理睬，傅作义虽然从绥远省出兵，但派来的部队却是打石友三的，远在山东的韩复榘知道东北军已经展开讨伐石友三的战役后，也急忙和石友三划清界限，宣布“坚决服从张副总司令，维护北方大局”，石友三顿时落入孤家寡人的孤立境地里。恼羞成怒之下，石友三命人把张学良安排到他身边担任秘书长的张云责等东北人士尽皆活埋。眼看张垣即将陷入东北军的包围，石友三急忙率部突围，由于向西的通道已经被石文华部给锁死，石友三只得向北逃窜。在抢渡张垣附近的洋河时，叛军船少人多，再加上天上飞机轰炸，地上大炮狂轰，后方还有上万骑兵滚滚杀来，叛军慌乱之下落水淹死无数，无法渡河的叛军一触即溃、降者遍野。真正渡过河的叛军只有两万多人。叛军本来就是临时拼凑起来的乌合之众，遭到重大打击后自然士气衰竭、无心战斗。石友三最后带着万余残兵败将惶惶地向北方的蒙古草原狼狈而逃。东北军各部则穷追不舍地展开追击。
6月1日，石友三在张垣的主力一夜之间就被东北军击溃，张学良生米煮成熟饭地通电全国，宣布“石友三投靠广州伪政府，逆反中央，破坏和平，东北军对其仁至义尽，但石逆执迷不悟，犯上作乱，东北军不得已而讨伐之”。同日，东北军、西北军、晋绥军共100多名将领联名发出讨石通电。蒋介石本来就对石友三厌恶至极，听说这个反骨仔又投靠了自己的死对头汪精卫，自然对张学良“清理门户”的行为大加同意。南京政府当天也发出了通电，支持张学良讨伐石友三叛逆。使得张学良出师有名且名正言顺。
王树常的第6军拥有1个步兵师、3个骑兵旅、2个炮兵团，这也是张学良的精心安排。热河省和察哈尔省都属于内蒙古地区，适合骑兵驰骋冲击，给王树常这么多骑兵，就是让他在对付石友三的时候能够用骑兵冲杀解决掉石友三叛军。此时的察哈尔草原上，石友三的万余残部一路狂逃，东北军的骑兵部队则一路追杀，尽情追赶屠戮石友三部叛军，同时东北军的飞机也频频出动，在空中侦查叛军部队的逃窜方向。持续五天五夜的追杀后，石友三叛军土崩瓦解，前敌总指挥孙光前在张垣战场被击毙，叛军几个高级将领沈克、梁方起、王心德、朱启明在混战或追击战中被击毙，米文和、程希贤、唐邦植等人则先后率部投降。石友三身边最后只剩下二三百卫兵和十几个亲信，一行人慌不择路逃到了察哈尔省和热河省交界的巴林右旗一带。石友三等人疲惫不堪且饥肠辘辘，看到不远处有一群蒙古包，想过去抢些食物。但叛军们刚刚靠近过去，草原间就呼啸奔来一群骑马的蒙古人，人人手持马刀，虎视眈眈地看着他们。为首的蒙古汉子厉声喝道：“你们是什么人？”
石友三暗暗叫苦，对方虽然只有百来人，但个个都骑马，而自己的部下只有二三百人，且精疲力竭、又饥又渴，硬打起来肯定凶多吉少。石友三想了想，命令部下抬出他逃跑时一直带在身边的几个装满银圆珠宝的箱子，拱手道：“诸位蒙古朋友，我是广州国民政府委任的第五集团军司令石友三，只要你们能帮助我脱险，广州政府必然会重重嘉奖你们，我本人也会感恩不尽，以后必有重谢。这是一点见面礼，还请笑纳。”
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