由于投入巨大、经营得法，军工生产制造能力有了很大提高。枪弹厂的生产能力，大概分为三个时期：第一期1920年４月至1923年12月，六五、七九步枪弹由日产１万发，扩充到10万发。第二期1924年日产15万发。第三期1925年至1931年九一八事变止，日产30万发。第二期比第一期年产300万发，增长15倍。第三期年产9000万发，多时达到１亿粒，比第一期增长30倍。其他各厂也都有较大发展。每年生产的大炮150门，炮弹二十余万发。步枪六万余支，枪弹１亿粒，轻重机枪1000挺。
东三省兵工厂的扩建和发展，为张作霖进入关内、问鼎中原打下了军事物质基础。
为了提高奉军立体作战的能力，张作霖把目光指向了空军。他深知，在现代战争中，陆军没有空军的支持，是很难取胜的。尤其是在第一次世界大战中，空军在战斗中低空对地扫射和投弹轰炸，所起到的歼灭敌人和扰乱军心的巨大作用，给张作霖留下了深刻印象。第一次直奉战争，由于直军有几架飞机压迫西线张景惠部，低飞抛弹，狂轰滥炸，使奉军西线顷刻土崩瓦解。这给奉军造成了极大的心理伤害。这个惨痛教训，使张作霖下定决心，要建立一支独立的空军和海军。
中国开始建立空军是在1912年前后。当时的陆军总长段祺瑞，在留法回国的航空员姚锡九的建议下，向英国购买了一批飞机。1917年使用这批飞机，参加了讨伐张勋复辟军的战斗，空袭过复辟军占领的北京，轰炸过紫禁城。1920年，直皖战后，因为奉系派兵支持了直系，张作霖分得战败了的皖系段祺瑞的一批飞机。这是张作霖梦寐以求的。这批飞机有旅客运输机４架，侦察教练机４架。同时，跟来航空人员姚锡九和王立序等专家。后来，张学良又从大沽造船厂等地调来技工赵鸿起等22人。有了这些，就为建立东北航空军提供了有利的前提。
1921年１月，张作霖下令设置东三省航空处，并派其参谋长乔赓云为处长，赵延绪、章斌为正副主任。此外，还委派了副官、军需官、军医官、书记官、工厂管理员、技工、班长等若干干部，分别掌握航空处各项事务。在沈阳东塔农业实验场旷地修建飞机场，又建厂房，盖仓库，造宿舍，筑办公室。以章斌、庄以临等为飞行骨干，以孔家桂、赵鸿起等为机械士，组建航空队。这样，就有了东北航空军的雏形。
1922年奉军在第一次直奉战争中失利。据认为，“此次战败原因之一是直系的空军占了优势”。在西线，直军利用其航空优势，派飞机在长辛店投掷重磅炸弹，奉军招架不住。奉军前敌总指挥张景惠首先退却，引起奉军全线崩溃。这次惨败，对张作霖是刻骨铭心的。张作霖更加深刻地认识到建立自己的空军的必要性。这一次中国最早使用飞机作战奉军失败的情景，是张作霖永生难忘的。
为此，1923年９月，张作霖任命张学良为东三省航空处总办，以加快东北航空军的建设步伐。值得一提的是，张学良在1923年间学习了航空驾驶，很快就掌握了这个技术。他很喜爱飞行，航空员都很钦佩他。
在第二次直奉战争中，奉军取得了胜利，东北空军在战斗中发挥了作用。张作霖感到东北空军要加以整编，扩充实力。为此，张学良进行了机构改革。于1925年将东三省航空处改组为东北航空处，设立总务、机械两处，分掌事务和机务。以高纪毅为总务处长，周培炳为机械处长。同年３月，附设航空学校，由张学良兼任校长。教官有北京南苑航空学校毕业的赵延绪、王立序等，还有法国退役飞行员博赖等十余人。至此，东北的航空军包括多架飞机、正规机场、维修工厂、机械设备、航空人员、地勤人员、机械人员，以及训练机构等，才粗具规模。
对航空员的培养，张作霖煞费苦心。第一批自己培养的航空员，基本不合格。第二批从陆军中选送到法国留学的12名航空员，也不理想。接受这两次教训，第三次选派留学的航空员就非常严格了。1925年，张学良在东北军官训练班的一千余名学员中，亲自挑选了28名学员。他们的特点是，品德好，年龄小，体格壮。一般是20岁左右，最小的仅17岁。这次送往法国留学的共35名。除28名学飞行的航空员外，还有学习其他学科的。
28名航空员到法国后，分作两部分。一部分进入了对身体条件要求更加严格的巴黎的毛兰纳航空学校，共18名；另一部分进入法国西南克鲁德亚的高龙特航空学校，共１０名。毛兰纳航空学校的教授方法是最优秀的，使用的教练机也是最新式的。教练机是毛兰纳工厂自己制造的。学习的科目有：机械、驾驶、实习、法文等。高龙特航空学校的学习科目有：机械、战斗、轰炸、无线电联系等。学习时间都是８个月。毕业后，两部分学员都获得了国际航行驾驶证，具有初级驾驶人员资格。1926年秋，两部分学员都转入法国南部的依斯特陆军航空学校训练，学习驾驶和战斗。结业后又转道里昂的法国正规航空军三十五团，参加实际战斗见习。实习的项目有：轰炸、投弹、瞄准、扫射、空中战斗、无线电联系等。还参观了欧战的遗迹。1927年初，结束全部训练项目，启程回国。
这批留学生受到张学良的高度重视。在学习期间，就把他们的军衔由准尉提升为中尉。回国后，很快提为少校或中校。对他们在阶级、工资、生活各个方面，都给予满足。他们在奉军的航空事业上也确实起到了不小的作用。
东北空军飞机的来源有三条途径。一是从军阀手中缴获的。1921年缴获段祺瑞的８架，1926年缴获吴佩孚的２架，1927年缴获冯玉祥的３架，1928年从飞豹队山东带回10架。计有23架。二是从西方国家购买的。张学良接受西方资本主义的先进事物很快，他不惜花费巨资从这些国家购买新式飞机。1925年从法国购买十余架，每架10万元。1929年从法国又购买26架。同年，又从日本，花120万元，购买４架。1930年又从捷克购买40架。到1931年九一八事变，前后共购买八十余架。三是接受西方国家赠予的。1929年美国赠送１架。同年，法国赠送１架。综合以上三个来源，东北空军约有飞机一百余架。据估计，在东北空军全盛时期，飞机累计约有“250架至300架”。这在当时的中国是首屈一指的，只可惜九一八事变中都成为了日本鬼子的战利品。
张作霖决心建立东北海军是有原因的。1922年４月，第一次直奉战争爆发时，吴佩孚乘温树德海军少将的旗舰“海圻”号，巡视秦皇岛、葫芦岛一带，并策应山海关的直系陆军，在葫芦岛发炮一百余发，对奉军造成威胁。５月，奉军失败。在奉军退出山海关时，遭到依附直系的“海筹”、“海容”等军舰从秦皇岛海面大炮的轰击，部队损失较大。甚至白天不敢行动，夜车不敢开灯。张作霖的座车也险被击中。张作霖深感没有海军不能控制海面的痛苦，遂决心建立东北海军。
东北海军的创始人是沈鸿烈。沈鸿烈，字成章，湖北天门人，1882年生。1906年，入日本海军学校学习，加入中国同盟会。1911年毕业回国。武昌起义爆发，沈鸿烈奉命为海军宣慰使，策动长江上下游海军反正。1912年，任南京临时政府海军部军机处参谋。次年，任北京政府参谋本部上校科长，主管海防。1916年，被派赴欧洲观战团海军武官。1918年回国后任陆军大学海军教官。1920年任吉黑江防司令公署中校参谋。1922年，张作霖任命他为镇威上将军公署航警少将处长。
原来，在清朝末年，他在湖北新军充当文书，由两湖总督张之洞派赴日本留学。当时中国海军大权掌握在闽系手中，舰上服役也全是福建人。非闽系的赴日本留学的海军军官就不能在舰上服役，只能在北京海军部候补。以后也只是任参谋等文职人员，没有更好的出路。沈鸿烈不甘寂寞，他谋到吉黑江防司令公署中校参谋的差事，是难得的机遇。
适逢奉军战败退回关外，张作霖自称东三省保安司令，宣布东三省独立，决心加强海防。沈鸿烈便提出了加强海防的具体建议，受到张作霖的赏识，竟被采纳。沈鸿烈把家眷接来东北，在法库买地落户，表示决心跟随张作霖。再加上他的丰富的海军阅历和深湛的海军知识，因而，受到张作霖的信任。张作霖便任命其为东三省保安总司令部八大处之一的航警处少将处长。沈鸿烈原来只是中校参谋，破格提升为少将处长，这在海军军官中还是空前的。后来东三省保安总司令部改为镇威上将军公署。
