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1930年春，馮、閻醞釀討蔣，拉攏石友三，許以山東省主席和第四方面軍司令之職。石友三權衡利害，決定與馮、閻聯合，這樣，他又一次回到馮玉祥的麾下。5月，中原大戰爆發，石友三率第四方面軍十萬之眾，從河南進攻山東，8月，又轉入隴海線作戰。隨著戰爭的發展，石友三見自己一點實惠也沒有撈到，不禁消極觀望起來。這時，馮、閻軍已呈敗勢，又聽說張學良要出兵助蔣，石友三又在盤算自己的退路。9月18日，張學良率大軍入關，石友三即通電響應，投靠張學良，這是石友三第三次背叛馮玉祥。在中原大戰中，石友三由於投機取巧，兵力基本沒有受到損失，成了北方軍閥中勢力比較完整的一個。他率部進據豫北冀南三十餘縣，自任縣長，就地籌餉，佔據了一塊地盤。
中原大戰後，張學良負責收拾華北殘局，1931年春節，石友三親赴瀋陽謁見張學良，以東北同鄉的關係，儘量向張學良輸誠。張學良也有意收容石部，以擴充自己的勢力。蔣介石得知石友三到了瀋陽，密電張學良將他扣押。石友三得知，急忙辭行，但張學良挽留了他一個多月，在此期間，與蔣介石往來電商，替其開脫，石友三不解其意，反而對張產生怨恨。石友三回到歸德（邢臺）後，張學良將其部收編為第十三路軍，石友三為總指揮，轄六師又五個團以及一個鐵甲車大隊，擁有兵力六萬四千餘人，每月領取定額軍餉六十萬元。
石友三表面歸順張學良，暗中卻又積極備戰，準備向北擴充套件，爭奪&ldo;華北王&rdo;的寶座。5月，汪精衛、陳濟棠、李宗仁在廣州另組國民政府，特派李漢魂見石友三，委他為委員和第五集團軍總司令，石友三接受此任命。這時，張學良的堂弟張學成，與張學良素有積怨，從北平到歸德，告之張學良病重住進北平協和醫院，正宜舉事。石友三派駐北平辦事處處長畢廣垣（即石友三幼時當學徒的畢家糧坊的少爺）力勸他不要反張，石友三不聽勸告，差點將畢廣垣殺害。6月，石友三加緊備戰，為防備洩露真情，他下令將張學良派到部隊的秘書長張雲責活埋。隨後，石友三將部隊擴編為九個軍，以孫光前、米文和、程希賢、沈克、張學成、梁方起、王心齋、唐幫植為軍長。
7月18日，石友三在歸德宣誓就任廣州政府所委任的第五集團軍總司令職，並發出討張通電，督率各部沿平漢路北進，準備一取石家莊，二佔保定，三進平津。7月24日，南京政府下令免去石友三本兼各職，以劉峙、張作相為總司令組成南、北兩路集團軍，以及晉軍商震等部，聯合討伐石友三，討石之戰爆發。石友三進佔石家莊，再往北推進時，即受到南北夾擊，雙方激戰三晝夜，石部傷亡慘重。7月31日，石友三下令轉路退回山東。時逢天降大雨，山洪暴發，河水猛漲，石部在渡滹沱河時人馬淹死無數，七萬之眾，大部被殲，餘部被俘，軍長孫光前被俘後遭槍決，石友三僅率少數隨員逃往德州，歸附韓復榘。
石友三起兵討代張學良失敗，把多年來各累起來的老本一下子蝕光了，只好依附老友韓復榘，過著寄人籬下的寓公生活。1932年秋，石友三幫助韓復榘誘殺了張宗昌。但是，石友三不甘過蟄伏的日子，總想尋找機會東山再起，不久，他和日本特務機關勾搭上，避開韓復榘，扮成日本人，在日本特務湊開一的保護下，從煙臺乘船潛入天津，住進了日租界。在天津，石友三與日本特務頭子土肥原拉上關係，他藉助日本勢力，勾結失意的軍人政客，組織隊伍在冀東活動，為日本侵略軍開闢道路。1933年5月，國民黨政府與日本簽定了喪權辱國的〈〈塘沽協定〉〉，蔣介石在華北成立冀察政務委員會，將石友三收為己用，任冀北保安司令，不久，石友三掌握了三個旅的兵力。
1937年7月抗日戰爭爆發後，石友三部改編為宋哲元的第一集團軍第
