三军番号被撤销，仅保留第九十一师。八年抗战期间东北军四十九军、五十七军和六十七军参与淞沪战役和南京保卫战，五十一军参加保卫淮河及徐州会战，五十三军则转战冀、豫、鄂、湘。五十三军六九一团团长吕正操编入八路军。着名的东北军将领有于学忠、缪澄流、何柱国、汤玉麟、吴克仁、万福麟、王以哲、崔连山、刘多荃、黄显声等。另外，马占山还在张学良劝导下，决定再次起义抗日，还受蒋命令组建东北挺进军。抗日战争爆发后，东北军被蒋分割使用于各个战场，也有一部分在战场上倒戈，投奔中国共产党。1949年1月，马占山与傅作义、邓宝珊