“最强者”
吴佩孚驻防衡阳不久，1919年全国爆发了反对“巴黎和约”的五四爱国运动。面对民族危亡，皖系力主签约，直系坚决反对，奉系则乐得坐山观虎斗。
吴佩孚直接通电大总统徐世昌：“青岛得失，为吾国存亡关头。如果签字，直不啻作茧自缚，饮鸩自杀也。”并表示“卫国是军人天职，与其签字贻羞万国，毋宁背城借一。如国家急难有用，愿率部作政府后盾，备效前驱”。
当北洋政府对爱国学生进行大肆逮捕时，他认为大好河山任人宰割之时，这些学生不顾自己的生命，为国家、民族前仆后继，“其心可悯，其志可嘉，其情更有可原”。让大总统释放学生，否则众怒难犯。
吴佩孚在五四运动中的行为深得国人的赞许，认为他是一个富有胆略的爱国军人。在爱国光环笼罩下，吴佩孚及直系声望剧增，而皖系却因对帝国主义的妥协退让，对爱国学生的镇压以及一些将领危害一方等行径而弄得声名狼藉，“段氏令名，至是扫地无余”。
与此同时，1918年至1919年间直系兵力日趋强大，从5个混成旅扩大为9个。在军事、政治条件皆成熟的情况下，曹、吴决定与段祺瑞决一雌雄，问鼎中央政权。
为加大取胜筹码，曹、吴力争欲雄霸中原的东北奉系军阀张作霖的支持。实力相对较弱的奉张清楚地认识到这正是能在直皖间的矛盾和争斗中获得兴师叩关的有利时机，因而对此作出了积极迎合，1920年4月密联与曹锟及其他一些军阀结成八省反皖同盟。
5月，为增强北方直军的实力，积极配合曹锟夺取北京政权，吴佩孚率领第三师及三个混成旅撤离驻守的衡阳北上，沿途突破张敬尧等皖系将领的封锁、堵截，顺利抵达武汉，曹、吴南北呼应。
同月9日，就在同一天，段祺瑞成立“定国军”，自任总司令，其铁杆心腹徐树铮任副司令兼总参谋长。曹锟成立以吴佩孚为前敌总司令的“讨贼军”。7月14，直皖正式拉开战幕。初始双方在实力相埒的情况下拼搏，难分伯仲。
17日后奉军直接出兵参战，形势发生剧变，直、奉联军在5日内击败皖段，彻底摧毁了皖系军阀。败局之下段祺瑞通电引咎辞职。
徐世昌当政时为安抚势力强大的军阀特设巡阅使制度，各巡阅使兼管数省的军事和民政大权。直皖战争结束后，曹锟由原来的川粤湘赣四省经略使的虚职改任直鲁豫巡阅使，吴佩孚为副使，张作霖任东三省巡阅使，晋授为镇威上将军。
北洋政府进入到由直、奉两系军阀共同控制时期。直皖一战吴佩孚虽只是区区的一个师长，但却引起了国际上的关注。战后陆军助理武官费禄纳少校曾到保定访问曹、吴二人，然而从费禄纳给美国国务院的报告可以看出，在他眼中吴佩孚才是一个真正意义上的领袖，“直系首脑中最杰出的是吴佩孚……他的行动是一个真正爱国者的行动，他是为国家利益而不是为个人利益而工作的。……他显然极为民主，他的士兵对他既非常尊敬，又十分爱戴”。
直皖战争的胜利奉系是有功的，但在战后的各种利益的分配中，双方都认为对方占了便宜，而自己没能得到应得的好处。
战争即将结束时，张作霖抢先将皖军遗留的军械辎重等物品全部囊括，其中有两只空军探照灯曾为直军获得，张作霖毫不留情地要了回来。曹锟气得不停地说：“张雨亭真是地道的胡子，得那些东西还不够，连这两个灯还要。”
在战争中立下汗马功劳的吴佩孚非常气愤，他认为奉系在战争中没有出多大力，“这次战争，不足言功，是一件最可痛心的事情”。
1920年 9月，吴佩孚升任鲁豫巡阅副使后便率领他的第三师开进军事重镇洛阳，招贤纳士、筹饷练兵，扩充实力。他把军事指挥机构中心设在原袁世凯的离宫，在其东西两侧新建50多间房屋作为参谋本部给他的幕僚策士居住，在其南修建“继光楼”专门接待中外重要访客。除此之外还为学生兵修建了1千多孔窑洞作为宿舍。同时设立无线电台，修建飞机场，购买飞机，开洛阳航空先河。
