1919年，张作霖选定沈阳大东边门外东塔农业试验场为厂址，委派奉天军械厂厂长陶治平任督办主持建厂。1921年10月，新厂正式开办。1922年4月，定名东三省兵工厂。东三省兵工厂总办下设工务处、材料处、审检处、庶务处、市政建设管理处、统计委员会、会计科、文牍科和各生产厂，还设有科学研究会、兵工学校和兵工医院。各处下设股、所，各生产厂下设制造所。至1928年，设有枪厂、枪弹厂、炮厂、炮弹厂、火具厂（生产引信及火工品）、火药厂、铸造厂（机器厂并入）、兵器厂和造币厂（1930年划出）；有各类机器设备8000多台，并自备发电设备，装机容量为1万千瓦，员工由建厂初期300人发展到2.1万余人，是当时全国规模最大的兵工厂。

自开办至1931年九一八事变止，建设资金支出2亿多元（银元），常年每月经费开支约200万元。东三省兵工厂主要产品，分枪、炮、枪弹、炮弹、火炸药和机械制造六大类。枪类包括民国13年式7.9毫米步枪，月产从1924年的400支增至九一八事变前的4000支；民国17年式6.5毫米轻机枪，1928年至九一八事变止共造400挺；民国13年式7.9毫米重机枪，1924年至九一八事变前共造100挺。炮类包括日式37毫米平射炮，日式75毫米野炮、山炮、迫击炮、高射炮，日式105毫米加农炮，日式150毫米榴弹炮，克式75毫米山炮，奥式77毫米野炮，奥式100毫米榴弹炮。1924年至九一八事变前共造1199门。另有日式240毫米榴弹炮2门正试制中即发生九一八事变。枪弹类包括6.5毫米枪弹、7.9毫米枪弹，最初月产900万发，后增至1500万发。炮弹类包括1924年春正式出品，初制钢性铣榴弹，后改为钢质榴弹，能与工厂制造的各式火炮配套，由于各式口径火炮炮弹生产难易不同，无固定产量，随需要生产。火炸药类包括1922年无烟药月产2吨，后增至20吨；1926年开始制造梯恩梯炸药，月产12吨，后增至120吨；1926年开始制造苦味酸，月产3吨，后增至30吨。机械制造类包括每月可造工作机器10台，可修理机动车3辆。