此后，他成为东三省总督徐世昌创设的奉天讲武堂第一期学生。中华民国成立后，1912年（民国元年）他任张作霖的第二十七师砲兵团长、骑兵团长。1917年8月，他升任第二十七师第五十四旅旅长。同年，张作相和孙烈臣镇压了宗社党清朝复辟起义。他还阻止了冯德麟、汤玉麟的反张作霖阴谋。
奉天派要人.1918年9月，张作霖升任东三省巡阅使，张作相任奉天讲武堂堂长兼奉天卫队旅（东三省巡阅使署卫队旅）旅长。1919年8月，他任第二十七师师长。1920年秋，他升任驻关内奉军总司令。任内他提拔自己培养起