为了适应大规模战争的需要，张作霖处心积虑地扩建兵工厂。１９１９年春，张作霖偕参谋长乔焕章、实业厅长谈保隍亲自实地踏勘。决定奉天东塔以东八百余亩归航空处及飞机场占有；东塔以东约一千八百余亩为兵工厂基址。在该处建立了东三省兵工厂。　　

兵工厂的建设，大体分为两个时期：１９１９年８月至１９２４年，为初建期；１９２４年后为扩建期。１９１９年秋，派原奉天省军械厂厂长陶治平负责建厂筹备工作。陶治平于１９２１年首先建成了无烟药厂、枪弹厂和枪厂等三个工厂。因此，陶治平被委为兵工厂总办。１９２３年陶治平去职，由韩麟春继任。１９２４年韩麟春转任他职，遗缺由督军署总参议杨宇霆兼任，改称督办。从此，兵工厂进入了大规模发展时期。１９２９年杨宇霆被杀，由臧式毅接任。不久，臧式毅调任辽宁省主席。１９３１年九一八事变，兵工厂被日军占领。　　

１９２３年增设了炮弹厂。１９２４年后，杨宇霆又大力扩建了炮厂、火具厂、铸造厂、制酸厂、木工所，达到了建厂的最高峰。计有８厂、４处，以及统计委员会、兵工学校、兵工医院等１７个单位。到九一八事变前，全厂职员由一百余人，增加到一千余人；工人由３００人，增加到２万人，最多时达到２．５万人。　　对兵工厂的扩建，张作霖给予大力支持。杨宇霆由于兼任督军署总参议，有很大的决策权。兵工厂想怎么办，就怎么办。花钱多少，在所不计。　　

建厂初期，人才匮乏。张作霖命令大胆聘请外籍技术专家。聘请的外国专家有日本人、德国人、奥地利人、俄国人和瑞典人等，他们都得到了重用，担任顾问、技师或技士等职。他们主要负责安装各种机器、设计制造机器配件和工具模板，以及对技术人员的培训指导等，起了很大作用。　　

张作霖对所用的人十分信任，有一次，他直接约见药厂负责人叶禾和枪弹厂负责人吴伯琴。他们二人不知何事，结果是当面鼓励他们好好干，并当场开给他们二人各５万元的支票。张作霖用人就是这样，不惜花钱。　　此外，为了培养自己的兵工人才，设立了兵工学校。学员分为初中、高中、专门三部，采三三制。初中毕业后，派到厂里任三等技手，服务３年。高中毕业，派厂为练习生，可升一等技手。专门部毕业等于大学毕业，任一等技手或技士。这个制度，有利于调动学员的积极性。以后，虽然外籍专家有所减少，但由于中国技术人才的成长，兵工厂未受任何影响，反而有所进步。１９３１年九一八事变前，兵工厂发展很快，全厂装备大小机器约计在万台以上，可谓应有尽有，品种齐全①。此时该厂已经成为全国规模最大的综合性的兵工厂之一。　　

由于投入巨大、经营得法，军工生产制造能力有了很大提高。枪弹厂的生产能力，大概分为三个时期：第一期１９２０年４月至１９２３年１２月，六五、七九步枪弹由日产１万发，扩充到１０万发。第二期１９２４年日产１５万发。第三期１９２５年至１９３１年九一八事变止，日产３０万发。第二期比第一期年产３００万发，增长１５倍。第三期年产９０００万发，多时达到１亿粒，比第一期增长３０倍。其他各厂也都有较大发展。每年生产的大炮１５０门，炮弹二十余万发。步枪六万余支，枪弹１亿粒，轻重机枪１０００挺。　　东三省兵工厂的扩建和发展，为张作霖进入关内、问鼎中原打下了军事物质基础。当然，这是大军阀不顾人民死活，采取穷兵黩武政策的体现。