1930年6月，傅作义击败韩复榘、马鸿逵部，占领济南。局势大好之时，阎锡山却自乱阵脚，中了蒋介石的反间计，另派将领去架空和监视傅作义。 中原大战爆发后，傅作义奉阎锡山的命令，率晋军第四路军进攻山东，老蒋任命韩复榘为蒋军在 津浦线的总指挥，韩复榘能指挥的部队都是杂牌军，人数看似不少，但战斗力不强，比如马鸿逵部名义上归韩复榘指挥，但在作战中极力保存实力，稍有不利就撤退了，而韩复榘对此也毫无办法。 傅作义在占领济南后，韩复榘已成惊弓之鸟，他不得不向割据胶东的军阀刘珍年求助，希望他派兵支援。刘珍年占据富庶的胶东十几个县，拥兵三万，所部战斗力和装备强于一般的军阀部队，他的动向，对山东战局的影响还是很大的。 在大战前夕，老蒋和阎锡山都派人去交好刘珍年。老蒋出手大方，一次性给了刘珍年五十万大洋的军费；阎锡山这边不如老蒋财大气粗，给刘珍年送了百来支轻机枪和十万发子弹，并给了一个二十一路军总指挥的头衔。 刘珍年的手下认为阎锡山太抠搜，连山东省主席的头衔都不愿意给，劝他不要反蒋。刘珍年的态度则是，不管是哪方送来的财物、装备或委任的头衔，他都照单全收，但至于帮谁，他对亲信说：“他们之间的混战是十字街头狗咬狗，我们帮助哪一方都不光彩。” 韩复榘见刘珍年作壁上观，很是不满，对刘珍年派了的代表说：“我是不是还要感谢你们，在我败退的时候，没有从后面打我，替我谢谢你们的刘军长。” 傅作义这边，见刘珍年情况不明，同时老蒋调集的援军也源源不断的开入山东，自感以现有兵力难以再扩大战果，便给阎锡山发去电报，请求增派援军。 老蒋这边，为了对付傅作义，采取了反间计，他派人到北平散布消息，说傅作义之所以在打下济南后不再进兵，是因为在和南京求和，并还和东北的张学良秘密联系。 为何选择要去北平散布消息呢？这是因为阎锡山委任的北平市长兼警察局长张萌梧，和傅作义很不对付。张萌梧手下探子很多，很快就掌握了傅作义要倒戈的“确凿证据”。 当阎锡山得到张萌梧的密报后，尽管他对傅作义倒戈不大相信，但还是起了戒心，尤其是张萌梧提到的傅作义和张学良秘密联系，这让阎锡山如芒刺在身，不由得想起了涿州之战的往事。 1927年9月，阎锡山和冯玉祥联合，通电讨伐张作霖，晋军主力杀向河北。晋军一开始气势很盛，但在张作霖调集奉军主力反击后，各路晋军被打得大败，阎锡山仓惶逃进娘子关，他的指挥印信都丢失了。 在危急时刻，晋军第四师师长傅作义率部奇袭涿州得手，将奉军的注意力吸引过来。涿州是军事重镇，被晋军占领后，严重威胁着奉军南北交通及其后方安全，张作霖派张学良、万福麟率五万奉军精锐，限一周内夺回涿州。 张作霖高估了奉军的战斗力，也低估了傅作义，别说一周，一个月都没能拿下涿州。奉军的火力远强于守城的晋军，甚至还出动了坦克助战，这可是当时军阀部队中独一份的。 奉军的攻势不可谓不猛，上中下三路同时攻击，上路是飞机轮番轰炸；中路指的是步兵大规模冲锋，强行攻城，并用坦克冲锋，炮兵轰击城墙；下路是挖掘地道，用炸药炸城墙等。 轮番攻击二十多天后，奉军伤亡惨重，不得不转入围城战。张作霖见久攻不下，大怒去电斥责，奉军不得不再次强攻，但打到了12月，还是无法攻入城内，只得再次采取围困战术 这时，城内粮食告绝，守军大多病倒，或头足浮肿，或便溺不通。傅作义派人去谈判，张学良承诺，只要城内守军放下武器，一个不杀，全部善待，并表示傅作义可以先行离开，只要人一走，马上给涿州城送去粮食。 1928年1月6日，傅作义只身出城，被送到保定软禁。张学良信守承诺，下令给城内送去粮食，13日，守军撤出城接受奉军改编。 涿州之战让傅作义一战成名，张学良对他的军事才能很是认可，极力想将他拉入麾下，傅作义拒绝后，趁着看管松懈逃了出去，重回晋军。当然所谓的“看管松懈”，更像是张学良故意为之。 表面上，阎锡山对傅作义的归来大加夸赞，说：““傅宜生（傅作义的字）就是咋们的关云长，义重如山啊。”但暗中，阎锡山却对傅作义和张学良的交往，有了猜忌之心。 到了1930年，傅作义攻占济南后，当张萌梧向阎锡山告密时，阎锡山变得很不放心，于是另行组建了第二路军，让张萌梧率领援鲁。 张萌梧率部到济南后，阎锡山下令二、四路军成立联合司令部，以张萌梧为总司令，傅作义为副。论骁勇善战，傅作义在晋军中说第二，就无人敢称第一了。对这个任命，晋军高层大都反对，认为仅凭张萌梧在北平搜集的真假难辨的情报，就让傅作义靠边站，实为不妥，应该让傅作义全权指挥山东晋军。 心中种下猜疑种子的阎锡山，当然不会听的。张萌梧以总司令的名义，将傅作义第四路军的三分之一部队划入二路军序列，在调拨装备补给时，也是优先第二路军。傅作义和张萌梧势同水火，各自作战，在陈诚等蒋军主力进入山东后，战局很快逆转。 晋军败走后，阎锡山不但不反思，反而指责傅作义，两人的关系算是越走越远了。
