1928年7月3日，就在田中內閣宣布總辭的第二天，年僅27歲的張學良向全國通電就職「東三省保安總司令兼奉天保安司令」，在張作霖死後一個月順利接手東三省的軍政大權。
我們想說一個人好的時候，往往是不遺餘力，極盡溢美之詞，把他形容得跟一朵花似的完美。而想說一個人壞的時候，那就是頭頂生瘡，腳底流膿，一無是處。事實上，每個人都有其兩面性，壞人不是天生就是壞人，很可能也做過好事，好人也未必做的每一件事情都正確，張學良也是如此。上任伊始，可能是迫於壓力，也可能是想樹立威信以鞏固自己的地位，年少氣盛的張學良迫不及待地做了幾件大事。
第一件，「東北易幟」。
主政之後的張學良立即成為日本人和南方政府的爭取對象。日本為把東北完全變為它的殖民地，利用各種手段威逼利誘張學良在東北獨立。為此，日本曾多次派人到瀋陽威脅張學良說，「如果中國東北不聽日本勸告而與暴動的南方達成妥協之類事情，為了維護我國既得權利，則將不得不採取必要的行動」。同時，日軍關東軍在瀋陽附近頻頻舉行大規模軍事演習，藉此向張學良示威。
與此同時，南京國民黨軍則敦促張學良早日「易幟」實現全國統一。蔣介石為此做了大量工作，他不但對張學良所處的環境表示理解，給予多次寬限，而且許以高位和巨大的經濟利益，同時藉助英、美的勢力對日本施加壓力。在當時全國各地日益高漲的反日浪潮推動下，迫於蔣、馮、閻、李百萬大軍壓境的巨大軍事壓力，同時考慮到自己年紀輕輕根本不是蔣介石的對手，1928年12月29日，張學良毅然通電宣布「遵守三民主義，服從國民政府」，在瀋陽城頭掛上了青天白日旗，此即為震驚中外的「東北易幟」。
不管我們如何評價張學良後來的所作所為，不可否認，「東北易幟」確實是張學良做的一件大好事。此舉維護了民族的尊嚴和國家的統一，挫敗了日本攫取東北的陰謀，也使民國政府第一次獲得了形式上的統一。
第二件，通過一系列手段，鞏固自己東北少帥的地位。
張學良接掌東北政局時還不到28歲，在大家眼中，儼然毛頭小伙兒一個。當時東北的軍政要人雖然表面上擁戴他，但仍有不少人持觀望態度。個別和張作霖一起「創業」的元老重臣就根本不把「小張」當回事。這其中尤以張作霖的拜把子兄弟楊宇霆以及常蔭槐兩人為最。關係極為密切的楊、常二人均掌握著東北的重權，張作霖在世時視二人為左右手。張作霖死後，二人對張學良儼然以教父自居，對其輕則教訓，重則叱罵，張口「小六子」，閉口「大煙鬼」。當張學良向楊詢問事情或發表主張時，楊經常以斥責的口吻說：「你不懂別瞎摻和，我會做決定。」「大腦袋」常蔭槐對張學良也非常藐視，在一次高級會議上，張學良發表了兩句不同意見，他竟當場指著張的鼻子辱罵道：「鱉犢子，你懂個屁！」楊、常二人結黨營私，大事小事自作主張，很多事情都是先辦，後再找張簽字認可。東北地方官僚政客見楊的勢力急劇膨脹，也對其極力巴結討好，當時的楊公館一時成了東北的政治中心。到後來基本上所有的事務都被楊宇霆包攬了，老百姓戲稱東北「只知楊皇帝，不知張少帥」。
就「東北易幟」之事，楊、常也是竭力反對，原因是一旦「易幟」，勢必會破壞他們的既得利益，楊宇霆甚至公開拒絕參加「易幟」儀式的合影留念，以示不滿。
從一件小事就能看出張學良在楊宇霆及東北官員眼中的地位。1929年1月7日，楊宇霆借為其父祝壽之機大擺宴席。這老楊面子也真大，擔任門口迎賓的，竟然是原來的軍閥巨頭孫傳芳，曾任國務總理的潘復也親自跑到大連迎接京劇名角程硯秋到楊府唱堂會助興。蔣介石、白崇禧、閻錫山等關內的實力派人物都派代表攜重金前來祝壽，日本政界亦派了駐奉天總領事林久治郎等為代表來湊熱鬧。作為東北名譽首長的張學良當然也不例外，他備了重禮親往祝壽。當他步入大廳時，參加祝壽的東北高級官員正在賭錢，張的侍衛副官譚海高聲喊道：「副總司令到！」少數人還略欠欠身子，多數人只是坐在原處瞄了一眼，接著旁若無人地高聲嚷叫，繼續賭錢。而當楊宇霆步入大廳時，那些文官武將則集體肅然起立，全場鴉雀無聲，楊擺擺手示意眾人落座時，這些人才規規矩矩地坐下。對張學良親往祝壽，楊宇霆竟以普通禮節待之，只是淡淡地說了句：「先找個地方歇會兒，吃過飯再走。」把這一切都看在眼裡的張學良殺心頓起。
三天之後，1月10日，如少年康熙誅殺鰲拜，張學良在大帥府老虎廳借談公務之機誅殺楊、常二人，此段逸事被老東北人戲稱為「楊常而去」，老虎廳還因此成為今天遊人到大帥府參觀必看的一個景點。
第三件，「中東路事件」。
「中東鐵路」是「中國東清鐵路」的簡稱，原由俄國修建。日俄戰爭俄國戰敗後，日本控制了長春以南的路段，也就是南滿鐵路，長春以北的路段則繼續被俄國，也就是當時的蘇聯控制。早在1925年年底，奉軍與馮玉祥開戰之時，蘇聯因支持馮玉祥拒絕奉軍利用中東路運兵南下，已經與張作霖結下了梁子。1928年6月，南京國民民政府發動了一場以修訂不平等條約為中心的「革命外交」，包括恢複關稅自主權，收回租界和鐵路權等。用張學良自己晚年的話來說，他所以想藉機去挑戰蘇聯，是因為「那時不自量力，很想施展一下子」，「想要通過這種辦法把東北的地位提高」。張學良把這一目標定在了老毛子控制的中東路上。
張學良自認為頗有幾分勝算。他判斷蘇聯當時正面臨嚴重的饑荒，國內形勢不穩，西方各國也仇視當時唯一的蘇維埃政權，在外交上根本不承認蘇聯。這是收回中東鐵路的絕佳時機。在同蘇聯進行了數輪談判未果之後，他決定「武力嚇唬一下蘇聯」，向斯大林發起了挑戰。
1929年5月27日，張學良派武裝軍警包圍蘇聯駐東北的領事館，拘捕有關人員39人。從7月開始，繼續進一步驅逐中東鐵路的蘇聯職員，查封哈爾濱市內的蘇聯商業機構。1929年7月17日，蘇聯政府宣布與中國斷交。8月6日，蘇聯為準備可能到來的戰爭成立了蘇聯紅旗特別遠東集團軍，司令官為瓦西里·布留赫爾，也就是先後擔任過孫中山、蔣介石、馮玉祥軍事顧問，後來又在張鼓峰之戰中重創日軍的著名元帥加倫。蘇軍的總兵力有3萬人。張學良手下的東北軍雖號稱有27萬人之眾，但真正能用來對蘇作戰的只有不到10萬人。
1929年8月，蘇聯沿中東路一線向中國進攻，戰爭打響。在隨後三個多月的戰鬥中，東北軍遭遇慘敗，大片大片的國土淪喪。糟糕的戰局讓張學良不得不在1929年11月26日主動向蘇軍求和。1929年12月20日，張學良被迫在哈巴羅夫斯克，也就是伯力，與蘇聯簽訂了《中蘇伯力會議議定書》。議定書恢複了蘇聯在1929年7月10日以前在中東鐵路的一切權益。協議簽訂後，蘇軍撤出中國東北，但繼續佔領中國領土黑瞎子島等地。
「中東路事件」的規模和持續時間都遠遠超過了1969年的「珍寶島戰役」，成為中、蘇歷史上規模最大的一次武裝衝突。戰爭中雙方人員傷亡相差懸殊，東北軍自己的說法是戰死1690人，負傷2210人，被俘6900人，失蹤1800人。蘇聯一方的資料則顯示中方被俘人數就達到了9500人。蘇聯自己公布的損失是陣亡281人，受傷729人。
在整個戰爭過程中，事先答應給張學良撐腰的南京國民政府並沒有給予張學良實質性的幫助。對於伯力協定的簽訂，南京國民政府一直持反對態度，不予承認。作為象徵性的安慰，南京只是給張學良、于學忠等東北軍將領頒發了青天白日勳章。
「中東路事件」對張學良的影響無疑是巨大的。1990年，張學良曾向唐德剛口述自己的一生並由唐整理出版。該書涉及「中東路事件」的僅僅139個字。一定程度上說，這一事件也嚴重影響了幾年之後張學良對九一八事變的決策判斷。
蘇聯借「中東路事件」強行佔據了中國的黑瞎子島。該領土爭議一直持續到2004年才以協議方式解決，中俄各得到黑瞎子島的一半。2008年10月14日，黑瞎子島西部174平方公里的土地正式從俄羅斯移交中國。
「中東路事件」中，有兩個日本人自始至終冷靜認真地觀摩了整個戰爭進程，他們就是之前提到的板垣征四郎和石原莞爾。看完雙方並非十分激烈的爭鬥之後，石原長長地舒了一口氣，「對付張學良這種人，連我的家傳寶刀都不用，僅用竹刀就足夠了」。石原同時還做出了一次預言：「我敢斷定，如果一旦有事，關東軍不用兩天時間就可以佔領奉天。從現在開始，我們需要的就是準備和等待，行動的最終實施至少還需要兩年時間。」
後來的事實證明石原錯了。他沒有等足兩年，日軍佔領奉天所用的