在向着海南岛和西北边疆进行国内扩张的同时，张学良也开始着手对他麾下这支庞大的军队进行了第二次全方位和大规模的整军经武活动。东北易帜后，张学良曾对改编为东北军的奉军进行了第一次整顿，但由于条件有限和各种客观原因，第一次整顿只能说是让东北军初步地成为了半现代化军队，但仍然残留着大量旧军队的痕迹，并在这场战争中暴露无遗。可以肯定，这场第二次东北战争让北防军（东北军、晋绥军、西北军、河北中央军、山东鲁军）在遭到空前伤亡的同时也让北防军得到了前所未有的淬炼和考验，一大批腐朽昏聩的老将领在战争中被证明已经不堪重用或战争思维严重落伍，一大批不稳定的隐患分子也在战争中暴露出了真面目，而一大批后起之秀、青年将领则犹如雨后春笋般纷纷崭露头角，这让北防军在整体上获得了净化和升华。战后的北防军，军师级的上层将领基本还是年长者当道，但团营连级的中层军官则是年轻者占绝大多数，并且基本都是东北讲武堂毕业的军校学员。这种军官呈现年轻化的状况，其实是每一支军队在经过战争后的一个普遍现象。残酷的战争实际上是一座专门衡量军人才华与胆略的大熔炉，所有因畏战惧敌、思维僵化、墨守成规等原因跟不上时代发展的军官统统都要被无情地淘汰掉，任凭是资历再老的元老耆宿，也都概莫能外，战争可不是论资排辈的场所。老一辈的年长者被一淘二汰后，后续的青年俊杰自然前赴后继地填补上，所谓长江后浪推前浪便是这个道理，而战争也是军人晋升军衔和擢升军务的最好机会。从另一个角度来说，这也是为什么古往今来、国内国外各方军队的青年军官里从来不缺乏好战分子的根源所在。没有战争，他们哪来超常规晋的机会？没有战争，他们又如何实现自己的人身价值？其实说到底，北防军本来就是由青年统帅所领导的，北防军总司令兼北防军陆军司令张学良此时才33岁，北防军副总司令兼北防军空军司令冯庸也是33岁。而张学良和北防军的最大敌人，日本帝国的裕仁天皇，也同样是33岁。
此时张学良麾下的这支“北方边防军”不但拥有中国全部的海军，还拥有全国乃至亚洲最强大的地面部队和占全中国空军绝大部分实力的空中力量。借着这场巨大的胜利，张学良趁机跟蒋介石又索要了10个步兵师、40个步兵团的番号，使得东北军嫡系步兵师的数量达到40个。北防军的陆军此时拥有61个步兵师（东北军40个、晋绥军军6个、西北军8个、中央军3个、鲁军4个），以及12个骑兵旅（东北军5个、晋绥军3个、西北军4个）、16个炮兵团（东北军10个、晋绥军6个）、10个宪兵大队、1个卫队团。即便按照一个步兵师1.3万兵员和一个骑兵旅5000人的正常编制，北防军的总兵力也可以扩增到90万，但杨宇霆、于学忠、王树常、王以哲、高维岳等大批的陆军将领们都强烈要求进一步扩军，要让北防军的陆军超过100万人。杨宇霆是北系里激进派势力的代表人物，“扩张、扩军”是杨宇霆等人最感兴趣的事情，而张学良也通过这场战争而深感北防军的兵力还是有些不足，因为在这场第二次东北战争里，北防军足足投入了90%以上的军力与日军作战，虽然挡住了日军的攻击并转入全面反击，但最终却也没有能力进行乘胜追击了。对于杨宇霆等人的扩军请求，张学良表示允许，而杨宇霆制定出来的扩军方案也很简单：改“三三制”为“四四制”。
在这之前，北防军每个步兵师下辖4个步兵团，每个步兵团下辖3个步兵营，每个步兵营下辖3个步兵连，每个步兵连下辖3个步兵排，每个步兵排下辖3个步兵班，每个班15名官兵，按照这种编制，北防军每个步兵师约1.3万人员，作战士兵约1万人（北防军每个骑兵旅下辖三个骑兵团，接下来也都是三三制）；杨宇霆的办法就是从团级以下都改为四四编制，每个步兵团下辖4个步兵营，每个步兵营下辖4个步兵连，每个步兵连下辖4个步兵排，每个步兵排下辖4个步兵班，每个班15名官兵，这样，每个师就能扩增到2.5万人员，作战士兵达到1.9万。北防军一个师相当于日军一个甲等师团。按照杨宇霆的办法，北防军的61个步兵师和12个骑兵旅都这样搞的话，那北防军陆军部队就能从90万扩增到160万。
虽然杨宇霆的这个扩军方案是可行的，因为军队正式由上级给予的正式番号是团、旅、师，团、旅、师的番号是不会重复的，但每个团下辖的营则是可以自由命名编制的。南京军委会那边的军队编制名单上只记载了北防军有多少师、多少旅、多少团，而不会记载有多少营连排班，北军不擅自增加团级部队，但在营连排班上做手脚，因此起码在明面上是说得过去的，而且北防军的开销基本都是张学良自己掏腰包，军队扩增后的费用也仍然是张学良自己花钱，南京在这方面对北防军没有什么遏制力（军阀都必须要有独立财源，这样在擅自扩军时才不会受到中央政府的财政遏制。中央给多少经费，底下将领只能养多少军队）；并且，陆军方面的将领军官们基本是众口一词地支持杨宇霆的这个扩军计划，原因很简单，上至军长、师长、旅长、团长，下至营长、连长、排长、班长，谁不愿意自己手上的人马能够翻上近一倍？
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尽管陆军一片“扩军”的呼喊声，但张学良还是没同意，一下子把陆军的规模翻上近一倍，开销也会翻上近一倍，太劳民伤财和穷兵黩武了。陆军90万，再加上海空军，差不多100万了，虽然张学良地盘里的人口达到一亿以上，民众和军队的比例仍然符合“百一原则”，但猛然扩增这么多部队，实在太多了；况且，张学良估计起码在五年内北防军不会再参加大规模的战争（日本已经无力大规模侵华，而世界大战爆发于五年后的1939年），因此驳回了杨宇霆的扩军方案。
但杨宇霆和一干陆军将领们不死心，随后又在“四四制扩军方案”的基础上重新制定出“甲种师乙种师方案”。这个方案是：把北防军的61个步兵师分为甲乙两种师，甲种师进行四四制扩军，乙种师保持三三制不变。按照杨宇霆的新方案，原东北军嫡系的40个师都扩建为甲种师，其他的晋绥军、西北军、中央军、鲁军都维持三三制不变。如果这样的话，北防军陆军部队将扩建到130万部队（东北军嫡系部队100万）。为了说服和打动张学良，杨宇霆不厌其烦地反复阐述了北方地区的国防重要性和扩军的必要性，还在他的扩军方案上征集了400多个北防军师长旅长团长营长等将领和军官的签名。
迫于陆军的强烈要求，张学良勉强同意了这个“甲种师乙种师方案”，但进行了修改：扩建为甲种师的部队只能有30个师（占全军一半，毕竟扩40个师确实太多），并且不分嫡系非嫡系，在战争中立下战功的部队才能扩建为甲种师。张学良反复对杨宇霆等一干原出身东北军嫡系的将领强调道：“以后不允许再提到‘嫡系’这个词语，无论是东北军、晋绥军、西北军，还是河北中央军和山东的鲁军，现在都是北防军一员，并且他们在战争中的表现绝不逊色于东北军。我们东北军在战争中出现了一大批叛国汉奸和临阵脱逃的胆小鬼，而人家晋绥军却一个都没有，这难道不值得我们羞愧和学习吗？以后绝不允许在晋绥军、西北军、中央军、鲁军面前表现出嫡系的优越性，我们要真正地跟他们融为一家人。”
将领们连连点头，然后急不可耐地请求张学良赶紧扩军。
折腾了大半天，最后共有31个师被扩建为甲种师，分别是第101、第102、第103、第104、第105、第106、第107、第110、第112、第118、第123、第125、第130师以及第17、第42、第58、第35、第36、第37、第38、第39、第66、第67、第68、第69、第70、第4、第10、第21、第22、第74师。之所以多出了一个，是因为海军要求把第123师从陆军里划拨给海军，建立第一个正式的海军陆战队。原先的东北海军是有类似于海军陆战队的部队的，被称为岸防作战部队，共3个大队，通过这场战争，海军更加地认识到建立海军的陆战部队是非常重要的，因为敌方的强大海军可以任意地在中国海岸线上登陆，既然无法在海上歼灭敌方海军，那建立用于岸防作战和两栖作战的部队就是刻不容缓了。陈绍宽和沈鸿烈都强烈要求建立海军陆战队。第123师在营口战役里表现出色，因此被海军看上了，成为中国海军第一个正式的海军陆战队，原先东北海军的那3个岸防大队也都补充进了第123师里，并且由于海军只有1个海军陆战师，自然希望规模大一点，肯定是要甲种师而不是乙种师，再加上第123师本来就战功卓越，被扩编为甲种师也是顺理成章。但海军从陆军的30个甲种师里挖走了一个后，陆军立刻闹起了意见，因此额外要求张学良再给陆军增加一个甲种师，补齐30个，张学良最后也只得同意，所以甲种师变成了31个，陆军30个，海军1个。
经过最终确定，北防军的陆军主力共60个步兵师，分为30个甲种师（每个师2.5万兵力，总兵力75万）和30个乙种师（每个师1.3万兵力，总兵力40万）。
张学良的北方拥有全中国90%以上的重工业和90%以上的军工业，再加上与德国的全面合作和扩建，使得张学良的重工业和军工业的规模都大大超过日本，雄踞亚洲第一、全球第四（仅次于美国、苏联、英国，超过法国和意大利），因此给陆军部队进一步普及现代化武器也是这场整军经武里的重要项目。根据杨宇霆等人制定的计划，北防军每个师的具体编制和火力装备为：
每个步兵师下辖4个步兵团，师部直属1个卫队营、1个炮兵营、1个骑兵营、1个工兵营、1个防空营、1个辎重运输营、1个辎重管理营、1个军械军车维修营、1个侦察营、1个通讯连、1个狙击连、1个以上的野战医院，总计13000人/25000人（乙种师/甲种师）；
每个步兵团下辖3个/4个步兵营，团部直属1个卫队连、1个炮兵营、1个工兵营、1个通讯排、1个野战医院，共计2600人/5000人（乙种师/甲种师）；
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每个步兵营下辖3个/4个步兵连，共计550人/1300人（乙种师/甲种师）；