奉系军阀的东北空军，是张氏父子倾注心血、苦心营建的。1921年秋，张学良应邀赴日本参观，当他看到日本先进的技术、精良的装备、高超的训练后，痛下决心一定要建起自己的空军。于是，回到奉天后，他就对父亲张作霖说:“此行感想有二:一是气愤，二是发奋。日本当局有意炫耀日军威仪，蔑视我们中国人。不过，他们有些方面，如武器、军纪确实比我们要好，文化也比我们高些。我们东北军在这些方面要赶上去，而且要力争超过他们。”张作霖当然也早就认识到，要巩固东北非建立强大的空军不可。
其实，早在1920年7月，张作霖就在奉天东塔农业试验场旷地修建了飞机场，还设立了东三省航空处。里面有4架大威梅双翼三百六十马力旅客运输机，4架小威海单翼三百六十马力侦查教练机，当时，这8架飞机就是他们的整个家当，这还是直皖战争后，皖系战败，张作霖从段祺瑞那里缴获来的。
1923年9月，张学良任东三省航空处总办。他一上任，就把东北航空处整编为五个大队:飞虎队、飞鹏队、飞鹰队、飞豹队，张学良兼任“飞鹏”队队长，为了把这个航空处办得更好，张学良不仅从日本、俄国高薪聘请外国教官，他还把一批优秀的青年送到国外深造。
随后，张学良创办的奉天航空学校也有声有色地开展起来，而这些都不断充实东北航空的技术力量。1925年，经过严格的训练，第一批60多名航空学员从航空学校毕业。在毕业典礼上，张学良高兴地说:“学良固一学生也，故见学生则喜，见学生能毕业则尤喜。”
当时，东北航空处已拥有五十多架飞机，仅飞行员就近百人。此后，张学良又扩充了航空军，他不仅组建了水上飞机队，还先后从意大利、德国、英国、日本等国购进侦察机9架、水上飞机8架、轰炸机9架、战斗机5架、教练机8架，基本上搭起了东北空军的架子。
此时，奉系航空无论在技术、机械设备、具有专门技术的航空人员等等方面都颇具规模，而这在当时在中国也是绝无仅有的。
奉系军阀的东北空军在张学良的领导和努力下，终于有了回报。
据石友三的参谋长唐帮值回忆:“当时东北军飞机亦参加战斗，不断低空飞行，对我军进行轰炸。我军有一个迫击炮连，被飞机炸毁，人员骡马伤亡殆尽。”在当时军阀混战的大背景下，张学良培养的空军让其他军阀尝到了厉害。
面对这种局势，其他军阀也不示弱，他们采取各种方式对张学良重点培养的飞行员拉拢利用，这让张学良很是烦恼。因为这些都是1925年由张学良费尽心血选拔、出巨资重点培养的飞行人才，他们远赴法国学习飞行技术，马上就要回国了，而如今，国内各派势力都盯上了这批未来的空军新生力量。
于是，张学良指示机械处处长徐世英:“把在法学习的全部28名航空学员，全部由准尉提升为中尉……回国后，不用几年，只要尽忠职守，全都可以提升为少校和中校……”
1927年，张学良派徐世英赴香港亲自迎接这些留法的航空学员。这不仅仅是张学良对他们的重视，同时也减少了这批学员被中途拉走的可能性。
张学良不仅花巨资培养飞行员，他还自己建造飞机、自己开飞机。在学习飞行上，张学良十分刻苦，专门请来万显章辅导他学习飞行理论知识和实际操练。没过多久，张学良就能熟练地驾驶飞机在营口和丹东飞来飞去，甚至还能够自己驾驶飞机到南京开会。
张学良的东北空军的装备大部分是从国外购买和引进的，特别是1929年在中东路事件中，东北空军损失惨重。因此，张学良又从法国进口了大量新式飞机，同时也有一部分是东北军自己仿造的。东北军自己制造的战斗机很有特点，战斗机被称为辽F1式，为双翼型，它吸收了德国和法国战斗机的优点，当时算是比较先进的机型。此外还有辽FH1式、这种轰炸机可载4枚100千克的航空炸弹，是一种航程比较远的轰炸机。当然，这些高端技术的应用，也提高了奉系军阀的军事地位。
东北空军经过张学良的整顿和训练，无论是技术、战术、还是装备、配置都有了显著的提高，因此，在东北空军鼎盛时期，已拥有100多名飞行员、近300架飞机。这些技术过硬的飞行员，能够适应多种作战方式，这在当时全国各军阀中是独一无二的。但这样一支实力雄厚的空军，竟在“九一八事变”中不战而溃……
