1930年，随着东北军入关“接收华北”，郭恩海被张学良先后任命为平绥、平汉铁路局副局长等职。当时的“中原大战”使华北铁路许多路段遭受严重破坏，为尽快恢复铁道交通，郭恩海经常深入到基层，冒着各种危险去了解情况、解决问题，及时调配机车车辆，最大限度地保证了铁路正常运输和铁路运输的安全。

　　1930年11月7日至12月7日，平汉铁路管理局(北局)局长葛光庭去南京，其间由副局长郭恩海代理局长。11月7日，郭恩海经北平去天津面见张学良请示工作。当时张学良任全国陆海空军副总司令(管辖辽、吉、黑、热、冀、察、晋、绥8省，北平、天津、青岛3市)。张学良将以黄河为界的平汉铁路管理局(北局)并入平汉铁路管理局(南局)，改称平汉铁路管理委员会，地址设在汉口，让郭恩海以东北军的首席官员身份兼任平汉铁路管理委员会高级顾问。

　　1931年1月11日，已被任命为包宁铁路工程局局长的郭恩海和已被任命为胶济铁路管理局委员长的葛光庭，就平汉北局业已移交之事，特地于下午同车赴天津，面见张学良报告移交经过。张学良十分满意。郭恩海自此开始了筹建包宁铁路工程局的工作。

　　1931年4月，包宁铁路工程局正式成立，郭恩海被授予陆军中将军衔。包宁铁路工程局局址设在北平。上任后，郭恩海根据同时制定的《包宁铁路工程局组织专章》，组建包宁铁路工程局各组织机构。局经费按月由平汉路拨给2000块银元，平绥路拨给1500块银元。郭恩海要求属下节约开支，全力保障专用。当月，他拜谒了时任铁道部长的孙科，商议筹资提前建筑包宁铁路。郭恩海认为此铁路沿线毛线、药材、矿藏等物产丰富，河套地区又是产粮大基地，因此深感建设此线路的重要，遂多次督促政府拨款，以推动包宁铁路建设的进展。此后，当时的铁道部派出测量队，对包宁铁路沿线进行实地调查，并根据勘测情形制定了包宁铁路工程预算及一切计划，由随行的时任平绥、平汉铁路局专员卓宏谋(新中国成立后任全国自然科学工作者代表大会代表、北京市文史研究馆馆员)写成《包宁铁路建设与计划》一书。在书的前面有民国原铁道部部长、后任行政院长、立法院长的孙科，时任铁道部部长的顾孟余，绥远省政府主席傅作义等人的题词；有郭恩海和作者、铁道部包宁铁路沿途经济调查队暨测量队的合影。在书中卓宏谋阐述了开发西北、修筑包宁铁路的必要性、重要性和可行性，并以此作为建设包宁铁路的依据。

　　1932年1月26日，原东北军二十九军军长、陆海空军副总司令、北平行营参谋长戢翼翘接任郭恩海包宁铁路工程局局长一职，郭恩海改任由陆海空军副总司令北平行营改组的北平绥靖公署交通处处长，后又担任改组的军事委员会北平分会的运输司令部司令，统管铁路、公路和水路的军运事务。1933年2月17日，当时的行政院长宋子文为了表示关心热河的安危，由张学良陪同去热河鼓励汤玉麟和广大官兵。行营运输司令郭恩海、秘书处处长吴家象(新中国成立后任吉林省第四届政协副主席、是第二至五届全国政协委员)、卫队统带刘多荃(新中国成立后任辽宁省第四届政协副主席、第五届人大常委会副主任，第二至六届全国政协委员)和行营所有副官、公职人员，随同张学良前往。

　　同年3月，郭恩海参加了张学良任总指挥的“长城抗战”。在和日军进行的数十天争夺战中，他尽职尽责，率所属部队保证了交通运输的畅通，保障了后勤给养的运送，有力地支援了广大官兵英勇杀敌。“长城抗战”作为中国军队正规部队第一次大规模对日作战，极大地鼓舞了中国人民的抗日热情。

　　热河失陷后，张学良被迫下野，出于对“不抵抗”政策的愤慨，郭恩海和众多东北军将领离开了军界。他寓居天津英租界并开始经商，并同于学忠、李杜、杜重远等东北名人、抗日将领保持联系，支持、资助抗日活动。

　　1933年，郭恩海在上海复旦大学读书的侄儿郭维城被国民党上海当局两次逮捕，均经郭恩海及时任河北省政府主席、东北军五十一军军长于学忠等营救获释。