5月3日，西路也发生了逆转。此时奉军西路有张景惠第一师、邹芬第十六师以及先后增援的汲金纯第二十八师、齐恩铭第五混成旅、郑殿升的第二混成旅、牛永福的第九混成旅以及察哈尔骑兵旅，而直军仍然是开战时候的张福来第二十四师、董政国第十三混成旅以及孙岳第十五混成旅，实际上用于进攻的则只有董政国旅以及孙岳旅。在长辛店拉锯形成僵局的时候，处于核心位置的奉军第十六师反水了，身受重伤的师长邹芬无力约束部下，只好跟着投降，导致长辛店和卢沟桥的奉军有被直军分割包围的危险。在此要命时候，吴佩孚又投入了关键的张锡元第四混成旅和李鸣钟的第二十一旅，给奉军形成了最后的致命一击。张锡元旅和李鸣钟旅打了一个时间差，在击退张学良之后星夜兼程赶到丰台至南苑一线，从侧背攻击仍在坚持的郑殿升旅及牛永福旅。
于是西路全线溃退。张锡元旅乘胜追击，当日追到杨村。西路奉军大败，被缴械者3万余人，总司令张景惠带着几个卫兵只身逃回北京，他知道对奉军失败负有重大责任，不敢回奉天，此后就一直寓居北京直至第二次直奉大战。