1926年7月，广州国民政府分三路进行北伐。东路由何应钦指挥，进攻福建、浙江，主要攻击之敌为直系孙传芳部；中路由蒋介石指挥，进攻江西、安徽、江苏，这些地区也是孙传芳的地盘；西路由新加入国民军的唐生智指挥，主攻直系吴佩孚所盘踞的湖南和湖北。当时，国民革命军总兵力不过十万余人，和北方各派军阀相比，可谓敌众我寡，于是蒋介石决定集中优势兵力、各个击破，将西路对吴佩孚的作战放在了首当其冲的位置，计划先解决吴佩孚，占领长江中游，然后再挥戈东南，消灭孙传芳，占领长江下游，最后伺机翦除奉系张作霖和其它军阀势力。

因唐生智加入国民革命军，西线的战斗早在1926年6月就已经提前打响。当时，吴佩孚在两湖驻有10万大军，他本人因经历过南方政府以往的数次北伐，故始终视南方军队为乌合之众，对于这次国民革命军的北伐，他也十分藐视，认为不足为惧，所以战争之初，吴佩孚仍然把军队主力用于猛攻南口的国民军，不肯回师南向。北伐军方面，一边联络、安抚孙传芳，使其坐山观虎斗，不支援吴佩孚，一边加紧军事行动，于1926年7月攻占了长沙；8月，蒋介石亲临长沙部署进攻武汉，北伐军随即又拿下岳阳，由湘入鄂之大门洞开。直到这时，吴佩孚才感到了事情的严重性，急忙率军队主力南下，于8月底到达武汉，召开军事会议，部署湖北防御。

1926年8月底，国民革命军进入湖北，与吴佩孚大军激战于粤汉铁路要隘汀泗桥一带。吴佩孚亲临前线指挥，部署重兵于汀泗桥，打算死守，待直军主力全部到达后再与北伐军决战，同时还要求孙传芳从江西出兵夹击北伐军。汀泗桥战斗是国民革命军讨吴战役中最激烈的一场，吴佩孚的死守战术本来十分得当，应该有很大胜算，但是北伐军却是出乎意料的英勇难当。战斗中，双方都付出了巨大的伤亡，汀泗桥四度易手，最后被北伐军攻占。本来还打算调兵支援的吴佩孚在听说汀泗桥失守后，又在贺胜桥附近重新集结，打算固守；很快，北伐军杀到，双方又在贺胜桥展开激战，其激烈程度不下于汀泗桥之战，吴佩孚乘火车在前线督战，下令后退者死，但最终贺胜桥仍被北伐军所攻占。

汀泗桥、贺胜桥两战的胜利，使武汉门户大开，同时，北伐军将一代枭雄吴佩孚打得一点脾气都没有，从此声威大振，被誉为铁军。而吴佩孚则退回武汉，部署防御，打算借长江天险死守这一战略要地。1926年9月，北伐军向武汉发起进攻，三路齐出分攻武昌、汉阳和汉口。武汉三镇中首先被拿下的是汉阳，随后北伐军又以惨重的伤亡代价攻占了汉口，同时，北伐军还出兵扫平武汉周边各战略要地，吴佩孚大军被压制到河南信阳，武昌已是孤城一座。这时，直系孙传芳率主力从江西沿长江逆流而上，欲解武昌之围，北伐军总司令部因此派出中路军，开辟了江西战场。9月底，北伐军李宗仁部成功阻击孙传芳援军，直系武昌守军又多次突围失败，城内弹尽粮绝，北伐军趁机发起总攻，于10月10日占领了武昌。至此，吴佩孚军队主力大部被歼灭，北伐军消灭吴佩孚的计划基本实现。

再看中路军和东路军的情况。为阻击孙传芳援救武昌，中路军于1926年9月开辟江西战场，开始实施北伐第二步计划——消灭孙传芳。当时，孙传芳虽控制东南五省，但他的“五省联军总司令”也不过才当了一年，其军事集团尚不稳固，各地军阀还不是完全听命，因此在北伐初期，孙传芳没有过早的与南方开战。另外，孙传芳本身也害怕被吴佩孚吞并，所以他一直是坐山观虎斗，在北伐军攻占岳阳之前，他多次婉拒吴佩孚要他出兵援助的要求，打算等吴佩孚和北伐军两败俱伤之时，再从中取利。后来，北伐军进攻武汉，吴佩孚已是危在旦夕，孙传芳认为时机已到，便先与奉系谈和，然后集中主力进入江西，意欲驰援武汉，同时还派兵从福建袭扰广东。在这样的情势下，北伐军在开辟江西战场的同时，还派出东路军进入福建。

1926年9月，北伐军主力转到江西战场，连克赣南、赣西北重镇，迅速形成了对南昌的围攻，同时李宗仁所部还成功切断了江西与湖北的联系，何应钦也率东路军进入福建，形成牵制。9月中下旬，北伐军攻占南昌，但未能歼灭孙传芳主力，南昌不久又被孙传芳夺回，双方进入僵持阶段。期间，孙传芳部署了三路进军以解武昌之围的计划，并约吴佩孚在武胜关反攻；北伐军也筹备再夺南昌。9月底，蒋介石亲临江西督战，李宗仁亦成功阻击孙传芳西进之军，战事发生转机，北伐军很快进至南昌外围。10月初，北伐军在总攻南昌时受挫，伤亡惨重，被迫撤围，在经过休整和补充后，又于11月初发动反攻，占领九江，夺取南昌，孙传芳兵败逃回南京。至此，江西战场上的孙传芳军队大部被歼，江西全境遂告肃清。

为策应孙传芳在江西的作战，福建方面的直系军队不断骚扰兵力单薄的广东，占领了不少地盘，而国民革命军则一直采取守势。1926年10月，何应钦率东路军发起反击，进攻福建，当月即攻占漳州，12月又进占福州，占领福建全省。

1926年9月，就在江西战场形势最胶着的时候，西北国民军冯玉祥誓师成立国民军联军司令部，与广州国民政府的北伐遥相呼应，成功牵制了北方的奉军，使其不敢轻易南下。11月，冯玉祥解西安之围；12月又肃清了陕西全境，使陕甘绥三省连成一片，巩固了国民军的根据地，国民军兵力也迅速增加。至1927年初，冯玉祥完成北伐准备，打算东出潼关，进击豫鄂。

北伐军在湖南作战时，西南贵州军阀也纷纷加入国民革命军，到攻克武汉后，四川军阀也相继投诚，由此西南从形式上看基本为广州国民政府所控制。

国民革命军在南方各省势如破竹之时，北方的北京政府却是风雨飘摇，内阁总理杜锡珪如坐针毡，多次提出隐退，并于10月将内阁交由顾维钧代掌。由于北伐军占领了湖北、江西、福建，西南四川、贵州等地军阀又相继投诚，长江以南半壁江山已经落入广州国民政府之手，而西北冯玉祥也已经进占潼关，因此北洋军阀可以说是到了生死存亡的关头。当时，在长江以北，完整的北洋军阀势力就只剩下了关外的奉系一派，也只有奉系张作霖才有能力和国民革命军一战。1926年11月，张作霖入关，抵达天津，与关内奉系直鲁联军首脑张宗昌、直系孙传芳召开联合会议，决定组成安国军，并制定了反攻计划。12月初，张作霖在天津就任安国军总司令，孙传芳、张宗昌为副司令，号称百万。

1926年底，张作霖入京，以安国军总司令的名义主持中枢，安国军总部高级人员全体随往。1927年1月，顾维钧组建新内阁，北京政权为奉系一家所独掌，就连孙传芳也唯张作霖马首是瞻。从此，北京政府内阁动荡不已，直到一年后北伐军进入北京，结束了奉系对北京政府的把持。