10年代末，沈鸿烈转于张作霖旗下担任奉系海军将领，因战功于1923年成为该军中将海军司令。受张作霖、张学良命筹划整顿东北海军，使东北海军足与闽系海军并列。被称为海军「能将」。1928年皇姑屯事件后，他继续于张学良新军任高级将领，并与张学良军队一起加入国民革命军。1929年，同江之役中率部重创苏联海军而声名大噪。1930年，身为上将的他，因与苏俄边境战争和日军试图侵略东北固守东北海防等立下战功，与张学良同受中华民国青天白日勋章，为该勋章的首批受奖者，蒋介石亦曾说:「国民政府海军中首推陈策与沈鸿烈了。」。1