东北军入陕甘后，许多共产党员秘密进入该军，为帮助其走上抗日战线做了巨大努力。1936年6月末，在中共北方局领导下，东北军内的地下党员成立了东北军内工作委员会。此后地下党在东北军的工作更加活跃，无论总部、各部队、军官训练团和学兵队，以及报社、通讯大队等，都有共产党员在里面宣传抗日救国道理，团结教育广大官兵。8月30日至10月初，朱理治、叶剑英相继至西安，与张学良磋商东北军、十七路军与红军三方联合抗日大计，进一步加强推动东北军抗日工作。在抗日民族统一战线方针指引下，东北军内和西北地区的地下党组织互相配合，不断掀起抗日救亡新高潮，《西京民报》、《东望》和《西北文化日报》等进步报刊成了抗日的喉舌，“西北各界抗日救国联合会”、“东北民众救亡会”等救国团体纷纷成立，并联合举行了“九一八”五周年纪念会、追悼鲁迅和援绥抗日募捐等活动。
抗日救国事业把东北军、十七路军和各阶层民众紧紧联结在一起，在爱国热情激励下，将士们决心为抗日而献身。11月27日张学良上书蒋介石，恳切地请缨援绥。蒋严词拒绝，同时下令加紧镇压救亡运动，又策划调集其嫡系部队约三十个师进入陕甘，图谋全歼红军并迫张、杨就范。12月4日蒋介石坐镇西安威逼张、杨“剿共”，否则即将两军赶出陕甘。蒋的倒行逆施，使张、杨忍无可忍，终于激起震惊世界的西安事变。事变的和平解决，对推动国共两党第二次合作并团结抗日，起了重大的历史作用。张学良、杨虎城及东北军、十七路军广大官兵为中国人民的抗日事业做出了重要贡献。此后张学良被蒋软禁，东北军被缩编并调往豫、皖、苏各地。张学良身陷囹圄，仍念念不忘抗日，曾多次致书东北军将领，勉励部下：“吾等必须将吾们的血及此一点武装（东北军），供（贡）献与东北父老之前，……以期在抗日战场上，显我身手。”
七七事变爆发后，东北军各部与全国军队一起迅速开往各抗日战场，其中四十九军、五十七军和六十七军在淞沪战役和南京保卫战中浴血奋战，牺牲惨重；五十一军参加保卫淮河及徐州大会战（包括台儿庄战役），后与五十七军一起挺进鲁南；五十三军转战冀、豫、鄂、湘，后入缅甸、越南对日作战。在激战中，吴克仁、朱鸿勋、吴桐岗、刘桂五、方叔洪、黄德兴、刘启文、扈先梅等将领及无数官兵，其中包括许多共产党员壮烈牺牲，为国捐躯。张学良被扣后，东北军在蒋介石消灭异己政策下，大量消耗损失并被分化瓦解。广大官兵纷纷觉悟，在共产党帮助下，陆续脱离南京政府控制，走上独立自主开展游击战争的道路。1937年10月，五十三军六九一团团长吕正操在冀中举起抗日大旗，经小樵改编，部队迅速发展，后编为八路军第三纵队并建立冀中军区。1942年8月，五十七军一百十一师师长常恩多和苏鲁战区秘书主任兼政务处长郭维城率该师举行“八三”起义。中共山东分局闻讯，立即派从该师撤出的秘密党员万毅（该师三三三旅旅长）和王振乾急返部队。新一百十一师推选万毅任师长（常恩多病逝），后编为八路军滨海支队。1945年8月，奉朱德总司令命令，吕正操、万毅、张学思等率部挺进东北，实现了张学良将军和东北人民湔雪国耻光复故土的宿愿。东北军走向抗日战场，经过了苦难而曲折的道路。他们用自己的鲜血和生命为抗日战争的胜利做出了贡献。
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