在郭松龄起兵之初，日本人明里打着“严守中立”、“不干涉”的幌子，背地里却与郭松龄接触，企图乘机取得过去没有得到的利益。
拉拢郭松龄失败后，日本人转而与张作霖接触。在此危急时刻，张作霖慌不择路，也希望日本人能够拉自己一把。张作霖向日本人表示，只要能保住他的地位，“一切要求都好商量”。日本人乘机提出增筑吉会等7条铁路、获得商租权等侵害中国国家主权的要求，张作霖为一时之急，同意了日本人的无理要求，双方订立了反郭密约。战事结束后，张作霖对日本人所作的承诺全部反悔，作为补偿，张作霖亲自携带私款500万现大洋酬谢日方有关人员。但此举并没有起多大作用，日后被炸身亡，即源起于这个没有兑现的反郭密约。
12月8日，关东军司令官奉日本内阁之命对张、郭两军发出警告:“帝国在该地有重大权利与利益。因此，在铁道附属地带，即我军守备区域内，因战斗或骚乱，对帝国利益带来伤害，或有危害之虞时……本司令官当然要执行必要之措施。”这一警告看似针对双方，其实对处于劣势的张作霖来说是有着很大的帮助的。
12月10日，关东军参谋浦澄江中佐赴锦州东北国民军总司令部向郭松龄递交警告书，并恫吓说:“我帝国完全准备好了应付阁下任何行动方案，顺便转告。”郭松龄答复:“贵国在东三省之侨民生命财产，于本军范围内，当竭力保障其安全……惟对方反对本军和平主旨，恐不择手段。”
此时，大凌河铁桥及沟帮子铁路给水塔被奉军炸毁，不能通行火车，郭松龄被迫改变策略，以主力徒步向奉天进发。另派一旅袭取营口，抄东路侧击奉天。12月13日，郭军前锋抵达沟帮子，右路军马忠诚旅抵达营口对岸。
12月14日，郭松龄发表《痛告东三省父老书》，宣布张作霖的十大罪状，发布自己治奉的十大方针。
这时，日本人又向郭松龄递交第二次警告书。与此同时，关东军司令官白川义秘密委派大石桥守备队长安河与郭接触谈判，做最后的拉拢。安河提出:“阁下如要进入奉天，必须承认张作霖与日本帝国所缔结的条约，维护日本帝国在满蒙的特殊权利和投资利益，也就是说，必须正视日本帝国在满蒙的优越地位和特殊权利。如果阁下能答应这些条件，则日本帝国就能立即予阁下以援助，至少亦当促使张作霖下野。”郭松龄答道:“我班师回奉是中国的内政，希望贵国不要干涉。我不懂得什么是日本帝国在满蒙的优越地位和特殊权利。”安河见拉拢不成就威胁道:“阁下如不承认日本帝国的优势地位和特殊权利，帝国可要对阁下不便了。”郭松龄义愤填膺:“岂有此理!你们日本如果不讲道理硬要干涉中国内政，你们若把我拉到水里，我也要把你们拖进泥里!”
拉拢失败后，日本人开始对郭军的进攻进行干预。
12月14日晨，日本守备队奉白川司令官的命令对渡过辽河开往营口市区的马忠诚旅进行强硬阻挠，迟滞了郭军原定14日对奉军发起总攻的时间。15日，白川司令官将大石桥、辽阳、奉天、抚顺、铁岭、开原、长春等14个铁路沿线重要城镇划为禁止武装部队进入区域，禁止郭军通过。随后，又假借“护桥”、“换防”的名义，从日本国内和朝鲜紧急调入两个师团，分驻马三家、塔湾、皇姑屯一带，拱卫奉天，一旦奉军危急，便可出动。
兵败后的郭松龄率机要人员和卫队离开新民，向锦州方向撤退。与之同行的夫人韩淑秀顾及到郭松龄的安全，劝郭松龄率卫队骑马先行，尽快离开险地。但郭松龄念及韩淑秀不会骑马，不想扔下患难与共的夫人，就放弃了骑马。
郭松龄等人化装成农民坐着骡车，走出新民县约20里，遭到奉军王永清骑兵旅的追击，卫队战败，郭松龄夫妇藏在农家的菜窖内被搜捕出来。
24日下午，王永清将逮捕郭的消息报告给骑兵旅长穆春，并将郭氏夫妇押解到老达房烧锅院内，等待奉天的命令。张作霖听到消息后，欣喜若狂，在电话中向穆春说:“把郭鬼子给我送奉天来，我要亲自枪毙他。”放下电话后，想了想，又把电话打过去:“把郭鬼子给我看好，我这边派人去取他，我要亲自审问他为什么反我。”
25日晨，张作霖派出卫队团长高金山去押解郭松龄，但随后不久，张作霖又下达了“将郭氏夫妇就地枪决”的命令。史料记载，杨宇霆担心夜长梦多，张学良会出手相救，便向张作霖进言即杀郭松龄，以绝后患。
1925年12月25日上午10时，高金山将郭松龄夫妇押到离老达房5里许的地方枪杀。临刑前，郭松龄面不改色，对东三省人民留下遗言:“吾倡大义，出贼不济，死固分也;后有同志，请视此血道而来”!夫人韩淑秀也从容不迫地说:“夫为国死，吾为夫死，吾夫妇可以无憾矣，望汝辈各择死所!”当高金山下达开枪命令时，韩淑秀满怀深情地看着郭松龄说:“茂宸，我要你放心地看着我先走，来吧，先打死我。”
此时，郭松龄42岁，韩淑秀35岁。
郭松龄被捕时，王永清曾电告张学良。张学良得知高金山受命押解郭氏夫妇，拟电令高金山将郭押解到军团部，想救郭松龄一命，送他出国留学。但电未发出，即接高金山电话，告张已将郭处决。张学良得到郭松龄被处死的消息后，痛惜地说:“如郭不走，决不致死。”
郭氏夫妇被害后，张作霖命令将郭氏夫妇的尸体运回奉天，在小河沿体育场曝尸三日示众，并将遗体拍成照片各处张贴，传示东三省各市、各县，惩一儆百。当时小河沿围观群众数以千计。
郭氏夫妇死后，因父母、弟弟和继子逃难在外，遗体由亲友代为装棺，暂厝于小东门外珠林寺。“九一八”事变后，其家属才把郭氏夫妇安葬在家乡附近，1948年，由其继子郭鸿志移葬于沈阳东陵区七间房墓地。
张学良对郭松龄夫妇的死很是惋惜。1926年，张学良给饶汉祥的信中说:“良与茂宸共事七年，谊同骨肉，其去冬举事鲁莽……良事前不能察防，事败不能援手。回忆前尘，曷极方事之殷，良惟自愧。”后来，每当张学良遇到难办的事，就感叹说:“有茂宸在，哪用我为这份难?”1981年，“九一八”事变50周年之际，张学良回顾往事仍扼腕长叹说:“如果当时郭松龄在，日本人就不敢发动‘九一八’事变”。这是张学良对郭松龄军事才能的一种充分肯定，也是对良师益友郭松龄的深切缅怀。