1924年10月“首都革命”后，冯玉祥电邀孙中山北上共商国是；冯、张、段天津会议后，段祺瑞和张作霖也表示欢迎孙中山北上。10月27日，正在韶关督战的孙中山电复冯玉祥等，答应北上；30日，孙中山返抵广州，在大元帅府召集会议，讨论应对北方时局的具体办法。为谋求中国的统一和发展，孙中山毅然决定应邀北上。11月4日，孙中山命胡汉民留守广州，代行大元帅职权，令谭延闿办理大本营事务，主持北伐军事，并电告张作霖自己将即日北上。

1924年11月10日，孙中山发表《北上宣言》，主张召开国民会议以谋求中国之统一与建设，在国民会议召开之前，先召集预备会议。11月13日，孙中山抱病乘永丰舰起程北上，宋庆龄、李烈钧、邵元冲、黄昌谷、朱和中、马超俊等20余人随行，汪精卫（就是汪兆铭，精卫是号）提前一天赶到香港等候。当日下午，永丰舰驶抵黄埔，黄埔军校校长蒋介石率全体官兵登永丰舰迎孙中山登岸与黄埔师生告别，并检阅军校学生演习。

11月14日，孙中山抵达香港，随即转乘日本邮船春阳丸启程赴沪；16日，孙中山抵达吴淞口，次日乘褒尔登号小火轮在法租界公司码头上岸，于右任、石青阳、戴传贤、杨庶堪、居正、宋子文、蒋作宾、叶楚伧和段祺瑞代表光云锦，齐燮元代表凌铁庵等20余人到吴淞口迎接，上海各界和市民则有一万多人在码头欢迎。11月19日下午，孙中山在寓邸举行茶话会，接见上海和日本记者，发表了一个半小时的演说，宣布了自己对时局的主张和对中国前途的展望。

当时，由于北方战争的影响，京沪之间的交通极为困难，津浦铁路已久不通车，上海到天津的轮船也十分拥挤，两个星期内的头等舱座位都已预订完毕。为了赶赴北京，孙中山决定绕道日本转赴天津，随行只要宋庆龄、戴传贤、黄昌谷相伴，其它人员分别乘船至天津集合。11月22日，孙中山偕随员搭日轮上海丸赴日本，23日抵达长崎，并在船上接见了记者、政界人士和中国学生；24日，孙中山抵神户，欢迎人群达5000多人，各界慕名造访者络绎不绝，孙中山前后演讲十余次；30日，孙中山离开神户，乘北岭丸前往天津。

1924年12月4日，孙中山抵达大沽口，当时汪精卫已经抵达，并登船向孙中山报告北方政情。当日中午，北岭丸抵天津码头，约计有两万余人在码头欢迎，段祺瑞和国民军也派代表登船恭迎。随后，孙中山在天津日租界张园行馆下榻；当日下午，张作霖派代表到张园向孙中山问候，孙中山随即赶赴河北曹家花园拜访张作霖，与其进行了一个多钟头的会谈。事后，张作霖曾对汪精卫说：“我从前以为孙先生是个很难说话的人，今天见了面才知道他是一个温厚君子。可惜北京的各国公使都反对他，大概因为孙先生联俄的原故，你可不可以请孙先生放弃联俄的主张，我张作霖一定可以叫各国公使和孙先生要好的。” ；不过，张作霖显然是批评错了孙中山，外国公使不喜欢孙中山是因为孙中山北上前一再强调反对帝国主义，取消不平等条约，这些话外国人是自然不爱听的。

12月的北方气候极其寒冷，生长在南方的孙中山颇不习惯，再加上到天津时，又是脱帽站立、照相，又是四处奔波，因此在拜访完张作霖回到张园后，孙中山就开始发烧，肝部也感觉疼痛。于是，本来安排好的当晚社会各界在张园举行的欢迎会便临时取消了，不过前来诊治的医生却并没有检查孙中山肝部的情况，只是按感冒医治。孙中山服药后，经几天调养，烧是退了，但肝部仍疼痛不止。

孙中山在天津期间，对政治形势的发展给予了密切关注，由于他坚决主张国家至上、民族至上，主张废除不平等条约，因此列强对他颇不满意，法国领事甚至不许孙中山通过租界，也反对他在法租界居住。当时北京政府正急切的希望能获得列强们的承认，而列强则要挟北京新政府必须尊重过去一切条约，不能任意变更。在此情况下，段祺瑞向列强妥协，表示愿意尊重列强的既得利益以换取列强承认新政府。至此，孙、段、张三角同盟发生分裂，尤其是孙、段之间，在是否废除不平等条约问题上分歧严重。

1924年12月3日，北京临时执政府阁议决定，在执政府成立后一个月内召集善后会议，三个月内召集国民代表会议。12月18日，段祺瑞派特使赴天津欢迎孙中山来京，并探望其病情，特使在病榻前向孙中山报告了北京的情况，孙中山对段祺瑞向列强屈服的行为深为不满，大骂了特使一通，病情也随之复发。12月23日，临时执政府公布了善后会议组成，军阀、官僚、政客均在其中，于是孙中山屡次要求兼纳人民团体代表，全国各界也相继声援，但段祺瑞最后仅同意在善后会议各专门委员会中聘请各省议会议长和教育会、农会、商会各会长一人为委员，这也是后来1925年2月1日善后会议开幕时，国民党中央委员会对其不予承认的原因。

在天津进退两难的孙中山病情每况愈下，随行人员认为与其在天津既不利于养病，又于国事无补，倒不如到北京疗养。在得到孙中山的应允后，在津国民党人积极部署移京安排，12月31日，孙中山由天津赴北京，当天下午4时抵达北京前门车站。当时，有30多万北京市民在前门车站聚集，争睹民国伟人风采，这使得重病在身的孙中山精神为之一爽；北京政府全体阁员、各大专学校校长、各团体代表、各机关首长也都在车站欢迎，为了顾及孙中山病体，乃由欢迎人群推举总代表一人登车欢迎。接着，孙中山乘汽车直赴北京饭店，媒体记者也随后跟来，孙中山派汪精卫为代表接见了记者。

1925年1月20日后，孙中山病情加重，高烧、不能饮食。在医生的建议和宋庆龄的劝说下，孙中山于1月25日住进协和医院，并进行了手术。手术中发现，孙中山所患之病乃是肝癌，且已到末期，无法医治，只能以镭锭放射法阻止癌细胞继续蔓延。

2月20日，孙中山病情加重，医生认为抢救成功希望不大，不如趁其清醒之时，请示遗言。于是，随行人员推举汪精卫、孙科、宋子文、孔祥熙为代表，面请孙中山交代遗言。但孙中山似乎不愿如此，双方说来说去，兜了好几个大圈子，孙中山还是没有交代遗嘱的意思；最后，汪精卫说：“我们已经预备了一份稿子，请先生核定，现在我念给先生听，如果不合您的意思，就请您指示数语，我可笔记。”，念完之后，孙中山极为满意，于是这篇稿子便成了后来为世人所熟知的孙中山遗嘱。之后，汪精卫又拿出第二稿，这是留给家人的，由宋子文报告，汪精卫亲自念读，孙中山也很满意。正当汪精卫打算拿笔墨请孙中山签字时，孙中山听到房外宋庆龄大哭的声音，于是说：“你先收好，我还不至于就死，改天再签字吧！” 。

1925年3月11日，孙中山病危，于病榻上在前几日汪精卫准备的两份遗嘱上签字，宋庆龄、孙科、张人杰、吴敬恒、汪精卫、宋子文、孔祥熙、戴恩赛、邵元冲、戴传贤、邹鲁、陈友仁、何香凝依次签字为证明人，汪兆铭则署笔记者。接着，孙中山留下最后遗言：

“我此次放弃两广直上北京，为谋和平统一，所主张统一方法是开国民会议，实行三民主义和五权宪法，建设新国家。兹为病累，不克痊愈，生死本不足念，惟数十年所致力之国民革命，所抱定之主义，未能完全实现，不无遗憾。甚望诸同志努力奋斗，使国民会议早日开成，达到实行三民主义和五权宪法之目的，如是我在九泉之下亦堪瞑目。”

说到此处，孙中山甚为激动，而呼吸也越发困难，由于说话太多，精神不继，以致下面的话都说不清楚了，众人只听到微弱的声音不断反复：“和平、奋斗、救中国。”

1925年3月12日上午9时30分，缔造中华民国的一代伟人与先觉孙中山在北京铁狮子胡同行辕与世长辞，享年60岁，留下的是一个等待统一的、纷乱的中国。

同日，北京临时执政府决定给予孙中山国葬，全国各机关下半旗三日志哀，北京公使团亦下半旗。全国各地闻知孙中山去世，也自动举哀，万民雨泣。在北京铁狮子胡同的孙中山行辕内，国民党留京同志含哀开会，讨论治丧事宜，孙中山家属遵照遗示，遗体施以防腐剂，用科学方法保存；同时，国民党中央执行委员会在京委员开会，决议葬仪用国民体制以示平等，拒绝北京临时政府的国葬令，并遵孙中山遗命，以南京紫金山为安葬地。3月15日，在完成防腐手术后，举行大殓，灵堂内外哭声震天。3月19日，孙中山灵柩移至中央公园社稷坛，从协和医院到中央公园，一路上沿途步行护灵致哀者约12万人。4月2日，孙中山灵柩被安置于北京西山碧云寺，送殡者达到30万人。

1925年4月16日，广州政府将广东省香山县改名为中山县，永丰舰改名为中山舰。

孙中山大丧期间，海内外致送挽联极多，其中就有当初背叛过孙中山的陈炯明送来的一副，颇可一读：

惟英雄能活人杀人，功首罪魁，留得青史在
与故交曾一战再战，公情私谊，全凭赤心知

陈炯明在孙中山病逝前已痛悔自己的背叛行为，曾请吴稚晖代作悔过书，但未及送达，孙中山就去世了。1933年，陈炯明因肠炎病死香港，死后家无长物，贫难为殓，吴稚晖有挽联追述其事：

一身外竟无长物，青史留传，足见英雄有价
十年前所索悔书，黄泉送达，定邀师弟如初