東北易幟後，東北軍編成步兵25個旅、騎兵6個旅、炮兵10個團。1930年9月，張學良支援蔣介石參加中原大戰，以其9個精銳旅共10萬人編成兩軍，由於學忠、王樹常統領入關。中原大戰結束後，入關的9個旅及配屬（騎兵3個旅及炮兵、工兵等）分駐在平津一帶。1931年7月，為討伐石友三的反蔣反張戰爭，又將東北的步兵3個旅、炮兵2個團共8萬人調進關內。再加上駐山海關的何柱國旅，這時東北軍步兵精銳和大部炮兵分布在平津及河北、察哈爾一帶。留駐東北的步兵12個旅、騎兵3個旅和省防旅，裝備都較關內部隊差。由於東北軍政當局曆來是反蘇的，特別是1929年中東鐵路事件後，在兵力部署上主要是用來對付蘇聯。九·一八事變前夕，在東北的正規軍16.5萬人、非正規軍4萬人，總計約20萬人。
具體駐地是：
遼寧駐軍：
獨立第7旅王以哲部，駐沈陽；
獨立第12旅張廷樞部，駐錦縣；
獨立第20旅常經武部，駐鄭家屯；
騎兵第3旅張樹森部，駐通遼；
省防一旅於芷山部，駐山城鎮；
省防二旅張海鵬部，駐洮南；
公安總隊（由原第20師改編）黃顯聲部，駐沈陽；
輜重教導隊牛元峰部，駐溝幫子；
東北空軍、海軍及憲兵司令部，均駐沈陽；
吉林駐軍：
獨立第21旅趙芷香（後張治邦接任）部，駐寧安；
獨立第22旅蘇德臣部，駐雙城；
獨立第23旅李桂林部，駐長春；
獨立第24旅李杜部，駐依蘭；
獨立第25旅張作舟部，駐吉林；
獨立第26旅邢占清部，駐哈爾濱；
獨立第28旅丁超部，駐哈爾濱；
騎兵第4旅常堯臣部，駐農安；
省防第1旅孫鶴喜部，駐方正；
省防第2旅王紹南部，駐蛟河；
炮兵第10團穆純昌部，駐長春；