东北军在巅峰时期的兵力约为40万人。在东北易帜之后，东北军编成了25个步兵旅、6个骑兵旅和10个炮兵团。1930年9月，张学良为了支援蒋某某参与中原大战，派遣了9个精锐旅共10万人入关。中原大战结束后，这9个旅以及配属的骑兵3个旅和炮兵、工兵等部队分驻在平津昌搏慧一带。到了1931年7月，东北军讨伐石友三时，再次将3个步兵旅和2个炮兵团共8万人调入关内。此外，还有驻守山海关的何柱国旅。此时，东北军在平津及河北、银旦察哈尔一带的步兵精锐和大部炮兵力量分布。而留驻东北的12个步兵旅、3个骑兵旅和省防旅，装备水平相对关内部队要差。这些兵力主要被用于对付苏联。在“九一八”事变前夕，东北的正规军约有40万人（保守估计）。
在空军方面，东北军在张作霖统治时期的全盛时期装备了250至300架飞机，共有5个航空兵队。东北易帜前，东北空军估计还有约200架飞机，其中战斗机150架。然而，在1929年的某某路事件中，东北军的飞机损失惨重。因此，张学良从法国进口了大量新式飞机。到了9.18之前，东北空军拥有约100余架新式飞机。
在海军方面，东北海军拥有21艘大小舰只，总吨位达到3.22万吨，舰队官兵共计3300人。其中的主力舰“海圻”号是中国当时最大的巡洋舰。除此之外，还有“海琛”、“镇海”、“威海”、“同安”、“永翔”、“楚豫”、“江利”、“定海”等战舰。
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