北伐虽然经过相当时间的准备和计划，而最后的促成因素，乃唐生智的突然加盟。
孙中山北伐时，赵恒惕所统治的湖南往往首当其冲，挡其去路。赵恒惕自1923年驱逐谭延取得湖南省政大权后，对外标榜联省自治的中立政策，借以阻南拒北。赵恒惕所辖湘军编为4个师，贺耀组、刘铏、叶开鑫、唐生智分别担任4个师的师长。4个师各自把持驻地的行政与财政大权，在省内形成几个独立王国。其中叶开鑫的第3师比较听命于赵恒惕，唐生智的第4师因在省防军中实力最强而试图与赵恒惕分庭抗礼。对内，唐生智一方面借助佛教教义部勒其部属，令其官兵全部摩顶受戒，皈依佛教；另一方面在其所控制的湘南地区适度开放民众运动，企图借助民众运动的威力对付赵恒惕。对外，唐生智一面与广东方面暗通款曲，表示倾向革命，希望广东方面予以援助；与此同时，他也派人向吴佩孚表示，不会改变湖南当局的政治态度，以求吴不干涉他驱赵。
1926年3月初，唐生智举兵倒赵，兵分三路由湘南向长沙推进。国民党湖南省党部为配合唐氏倒赵，在长沙发动数万民众举行示威大会，提出“打倒赵恒惕”、“请国民政府北伐”等口号。赵恒惕在长沙只有2000卫兵，拥护他的第3师叶开鑫部实力远不及唐的第4师，而驻扎在湘西的第1、2师又态度暧昧。赵氏被迫向湖南省议会提出辞职，推唐生智代理省长职务。
唐生智进驻长沙后，一面派人赴汉口向吴佩孚解释，表示驱赵乃不得已之举，并无反吴之意；一面与广东方面取得联系，希望能得到广东方面的支持。广东方面派陈铭枢和白崇禧到长沙，要求唐生智服从国民政府，在国民政府指挥下出兵讨吴，广东革命政府愿意提供援助。唐生智表示同意。
既得广东方面之后援，唐氏乃正式宣布就任湖南省代省长职务，并以召开军事会议为名，将第2师师长刘铏等人逮捕，接着命其部下何键率兵向驻扎岳阳的湘军第3师叶开鑫部进攻。叶开鑫部退向湖北，投附吴佩孚。吴佩孚委任叶开鑫为“讨贼联军”湘军总司令，委任李倬章为“援湘军”总司令，宣布讨伐唐生智。
4月19日，叶开鑫通电讨唐。23日，唐生智亦发出对叶开鑫的讨伐令。叶、唐之战开始。叶氏倚吴佩孚作靠山，唐氏以广东为后盾。从双方实力言，唐生智的兵力不敌叶开鑫的湘军和吴佩孚的援湘军。战争打响后，湘军第1师和第2师见叶开鑫一方实力强大，亦参与讨唐。唐军寡不敌众，于4月30日下令放弃长沙，率部向衡阳后撤，同时向两广求援，表示愿加入国民革命军，为北伐前驱，请求广东国民政府出兵。
广东国民政府原则上同意援唐，但对于出兵问题，各军将领意见不一。谭延闿、程潜因与唐生智有旧怨，希望坐观唐军失败；蒋介石、李济深则主张援唐。李济深并表示愿派第4军独立团先行出发。5月11日，广东军事委员会开会决定出兵入湘，随后又陆续任命唐生智为国民革命军前敌总指挥、第8军军长等职，兼理湖南民政。5月20日，第4军独立团叶挺部担任广东政府北伐的先遣部队，奉命出兵援唐。北伐战争的序幕由此揭开。
第4军独立团团长叶挺及该团大部分军官是共产党员，团内建有中共组织，干部受中共广东区委调配。该团虽属第4军建制，实际上是中国共产党领导的武装力量。
6月15日，国民革命军第4军第12师张发奎部自广州出发。其后，各部陆续北上。吴佩孚得知广东政府出兵援唐后，增派鄂军3个旅入湘作战，并调拨大批枪械弹药支援叶开鑫。但这时吴佩孚对北伐军的实力估计不足，其主力仍集中于北方对冯玉祥的国民军作战，南方则命令叶开鑫的湘军和李倬章的援湘军在湖南暂取守势。叶、李指挥下的各色部队人数虽有10多万，但内部派系复杂，各怀保存实力心理，统一指挥十分困难。
6月下旬，北伐军第4、7、8军之主力已相继集结到湘南前线，兵力总计约6万余人。自6月29日起，北伐军分左、中、右三路由湘南北上，直指长沙。7月10日，叶开鑫部从长沙北撤，北伐军于次日进驻长沙。7月25日，新的湖南省政府成立，唐生智任主席，宣布废除赵恒惕主政时期之省宪法，解散省议会，直属广东国民政府领导。7月27日，蒋介石偕苏俄顾问加伦和行营参谋长白崇禧等总部人员由广州出发，赶赴北伐前线。
随着北伐的顺利推进，西南各派地方势力开始倾向广东国民政府。6月下旬，贵州军阀袁祖铭、王天培派代表赴粤洽谈，表示愿意加入北伐队伍。7月27日，袁祖铭致电广东国民政府，正式表示投效北伐之意。国民政府随即任命他为左翼军总指挥职务。袁部之彭汉章、王天培也分别被任命为国民革命军第9、10军军长。与此同时，赣军第4师赖世璜部、湘军第1师贺耀组部见北伐入湘告捷，亦要求投附国民革命军，分别被收编为国民革命军独立第1师和第2师。四川军阀刘湘、刘文辉等亦表示愿参加国民革命，并于8月13日通电讨伐吴佩孚。
占领长沙后，下期作战方略成为北伐军将领们思考的问题，有的主张同时进攻鄂、赣，有的主张迅速进取武汉，对江西暂取监视态度。8月5日，蒋介石与加伦、白崇禧等筹议作战计划。加伦担心进攻武汉时有可能遇到列强的干涉和阻碍，主张集中兵力先取武汉，对江西暂取守势。蒋介石赞成加伦的意见，决定以第1、4、6、7、8军主攻洞庭湖以东之线，以第10军助攻洞庭湖以西之线，仅以少数兵力监视赣西。
8月12日，蒋介石率总部人员抵达长沙。据唐生智回忆，蒋抵长沙后，意欲接掌湖南各方面的权力。他向唐表示：“现在是党权高于一切，政治、军事等都要由党来决定。”而唐不愿放弃湖南省政大权。自此两人积怨以成。唐生智的第8军在北伐过程中迅速扩充至6个师，共20多个团，实力超乎各军之上。实力大增的唐生智使总司令蒋介石感到不安。加上自中山舰事件后，蒋介石的第1军因中共党员之退出，纪律大坏，“战斗力之弱，甲于各军，遂使蒋之声名一落千丈”。为了制约唐生智，蒋介石想重振第1军，以维护其总司令的威信，为此他试图借助中共和苏俄顾问的力量，招回中山舰事件后退出第1军的共产党员。对于蒋唐之间的矛盾，中共中央的态度是：“不去助长，也不去消灭，只维持其平衡，在这个平衡的维持中，还可迫他们多做点革命工作。”
北伐初战告捷后，中共中央对北伐形势持乐观态度。7月31日中共中央对全党发出通告说：北伐军大有长驱而下湘赣进窥武汉形势，吴佩孚的势力已渐次崩坏，一部分小军阀有输诚革命政府的趋势。北伐军的胜利，已唤起全国革命民众的注意。北伐已成为全国民众最注意的一个问题。此语也可从另一方面理解为：在占领长沙以前，北伐尚未引起全国民众的太多关注。中共中央认为，北伐形势已由防御转为进攻，不能不重新考虑对北伐的态度以及北伐在民族革命中所占的位置，提出应该积极动员民众起来响应和推动北伐，同时利用北伐来扩大民众运动，使北伐具有更多的革命意义。不过，中共中央仍强调，不要过分宣传北伐，以免民众坐待北伐军之到来而自己不努力工作；也不可笼统宣传北伐，而应该提出中共独立的政治主张，“本党对于时局的主张，仍旧主张国民会议是解决中国政治问题的道路”。中共中央预测，北伐军事的前途不外两种局面：一是吴佩孚下野，张作霖出关，蒋（介石）冯（玉祥）孙（传芳）联盟支配全国的政局；一是奉系张作霖与新直系孙传芳妥协而抗住北伐军不能下武汉。由此观之，此时中共对北伐前途的乐观还是相当慎重的。
北伐军占领长沙虽出乎吴佩孚意外，但因北方国民军在南口牵制了他的主力部队，他一时难以抽调兵力南下，而且吴佩孚对北伐军的进攻实力仍然低估。吴的战略是“先定西北，再图西南”。据当时舆论观察：“吴佩孚对于湘赣，已以全权交孙传芳指挥，正聚精会神，应付西北，非贯彻到底，决不回汉。”“鄂督陈嘉谟等，鉴于粤军北侵，非有声威素著之大员，坐镇汉皐，诚恐万一岳阳有失，粤军饮马长江，牵动大局，迭次密陈利害，请吴（佩孚）移节汉皐，将西北军事，完全交与奉联军诸将领主持，无奈吴意务期先定西北，再图西南。”为了说服吴佩孚南下，陈嘉谟派人赴保定，向曹锟陈述利害，请求曹转劝吴移军南下，曹锟颇以为然，立即派彭寿莘赴长辛店劝吴。而吴佩孚却回答说：“粤军北侵，半属空气，广东内部情形复杂，伺隙而动者正多，不久必有内讧……计我海陆各军，集中岳阳，势雄力厚，扼守汨罗，粤军断难飞渡，予已请馨帅（孙传芳）遥为主持，万无足虑。西北军事，我军步步进逼，敌方已呈日暮途穷之象，不出兼旬，必可解决。孟子曰，掘井九仞，而不及泉，犹为弃井也。故予抱定宗旨，非打数个胜仗，屈服西北军，断不轻离北方，否则徒损威信。”
吴佩孚将西北军定为其首要打击目标，将南方战事委托给他的直系盟友孙传芳。孙传芳实际上另有自己的打算。孙之为人，素以善于观变、坐收渔人之利著称。当时舆论评述：
孙（传芳）刻下旷观大势，颇欲于短期间内，休养生息，蓄养五省之精力，不欲有事于他方，故对北吴南蒋，极尽敷衍之能事，前者深愿赵恒惕回湘，以缓冲南北。及唐生智二次反攻，长沙失守，孙不得不予以严重之注意……盖以为助吴援湘，则恐惹粤之侵犯闽赣，该二省边线太长，难于援救；用兵于南，而苏防又虑空虚；如不援湘，又恐蒋介石在湘得手之后，复侵赣西。孙于左右为难之余，决定不援湘而援赣。所谓援赣云云，即命邓如琢等陈兵赣边，而江浙整备军旅，以待江西万一之被侵。盖前此蒋介石虽宣言只援湖南，不犯闽赣，然一旦得手，孰又能保其为无逐北军过长江之意。此外，孙以岳州为湘鄂门户，岳州虽北军云集，然分子复杂，非有声望如吴佩孚者，不足以指挥裕如，此孙之所以为湘事焦虑，促吴南下之苦心也。孙又恐此项办法之尚不妥当也，故又与蒋介石一再敷衍，以求达其人不犯我，我不犯人之目的，故苏粤代表频频往来，或由于此……苏粤代表在上海会议，苏孙代表所提条件，为粤方不犯闽赣云云，由此可知孙传芳之真意矣。总之，孙恐防粤难期周到，故极力与蒋周旋，而蒋之和孙，意在正当用兵湘省，不欲多方树敌以分兵力，乐得与孙相约不犯，以便专力对湘，因是外间，遂有新三角同盟之宣传，然夷考刻下之大势，苟粤方在长江得手，岂容北军有站足之地，而粤党人之作事如何，孙岂不知，焉有背吴而亲蒋之理耳。
孙传芳除在“北吴南蒋”之间两面敷衍外，对北京中央政局和奉系张作霖的态度亦值得注意。据《顺天时报》观察，“孙传芳对于中央政局之态度，实欲以东南门罗主义，维持其中立，并不欲吴（佩孚）张（作霖）任何方面之强盛。若果有一方强盛时，必加以牵制，故必先维持其均势，然按目下之形势，张派之势力，远足以压倒吴派，故孙氏似有牵制奉派，暗中援助吴派之倾向。如武器、子弹、军费等等，缘有相当之援助，而对于奉派，则常取牵制计策。”
北洋军阀内部之相互制衡，为北伐军的各个击破创造了有利条件。当时北伐军在战略上决定以吴佩孚为第一打击目标，在政略上决定分化孙传芳、张作霖与吴佩孚，口号是：“打倒吴佩孚，联络孙传芳，不理张作霖。”北伐之所以选择吴佩孚作为首要进攻对象，一方面固然因吴佩孚的势力当时深入湖南，直接威胁到广州国民政府的安全，另一方面亦在于吴佩孚是直系的领军人物和北洋军阀正统思想的代表。北伐军最初决定先取武汉，意欲与北方冯玉祥的国民军遥相呼应，对吴佩孚形成南北夹击的局面。
1926年8月14日，吴佩孚与张作霖联合攻占南口。国民军于南口战败后，南北夹击的计划已不可能，但北伐军重点打击吴佩孚的方针并未改变。8月19日，北伐军第4、7、8军在汨罗江一线向湘北发起总攻，北军不敌，后撤到岳阳、通城一线。战线迅速推进到湘鄂边界。北军本不习惯于山地作战环境，加之当地民众因久受北军烧杀抢掠之祸，亦积极协助北伐军攻击北军。8月22日，北伐军一举占领岳阳。
岳阳一失，湖北门户洞开。吴佩孚的统治中心武汉面临北伐军的直接威胁。得知湖北告急后，吴佩孚于8月21日离长辛店南下，并将其精锐部队刘玉春、陈德麟等部南调湖北。8月25日，吴佩孚抵汉口，布置兵力固守汀泗桥一线，同时电催孙传芳由江西出兵湖南，协攻北伐军右翼。8月27日晨，吴佩孚在汉口渡江上驶，于舟中赋诗曰：
才游塞北又江南，坐罢火车上火船。
塞外风云能蔽日，江中波浪更兼天。
但凭豪气撑千古，那怕贼兵过万千。
寄语江南诸将士，奋身踏破洞庭烟。
“千古豪气”虽属自壮声色，但刚从南口告捷归来的吴佩孚显然踌躇满志，自忖既可以打败北方的“赤军”，南方的“赤军”自亦不在话下。此前北伐军方面已截获吴佩孚密电，知其正率兵南下增援，于是决定抢在吴佩孚增援主力尚未到达以前，突破有天险之称的汀泗桥防线。汀泗桥为粤汉铁路上的一个重镇，在军事地理上号称是湖北南部的第一门户，是湖南北上湖北的一大要冲。它西南北三面环水，东面是高山，易守难攻。当时从湖南败退下来的吴佩孚部队，都集结于汀泗桥。他们把汀泗桥视为抵挡北伐军的一个可靠阵地，以为只要扼守这一天险，北伐军即无可奈何。8月25日晚，北伐军第4军主力突进到汀泗桥当面，次日拂晓即向敌人发起攻击。经过一昼夜的激战，北伐军于27日晨攻下汀泗桥。而此时此刻，吴佩孚正在汉口舟中赋诗言志。
攻下鄂南这一险要门户后，北伐军乘胜追击，又一举占领咸宁。与此同时，另一路北伐军何键部和夏斗寅部从岳阳下游的临湘相继渡过长江。由于吴佩孚集中兵力于武汉以南，长江左岸空虚，北伐渡江部队未遇到有组织的抵抗即顺利由江左湖泊地带向汉阳推进。
吴佩孚得悉汀泗桥天险失守后，又选择贺胜桥组织防御。吴佩孚亲率精锐督战，兵力号称10万人。北伐军投入攻击的部队虽只有2万多人，但因连战连捷，士气高扬，战斗力远优于吴军。经过激战，北伐军于8月30日攻下贺胜桥。吴军伤亡惨重，余部或退至武昌城，或逃过长江。
汀泗桥与贺胜桥之战是两湖战场上南北两军一次决定性的会战。数日之间，吴佩孚的部队一败于汀泗桥，再败于贺胜桥，不仅出乎吴佩孚本人意料之外，当时全国舆论也一片大哗。就此一战，吴佩孚的军队受到致命性的打击。
8月30日，吴佩孚由贺胜桥败退武汉。31日晚，北伐军第4军亦进抵武昌城郊。南北两军又即将在武汉展开一场大会战。
武汉三镇素有“九省通衢”之称，是华中的政治、经济中心，也是吴佩孚统治地盘内的一大重镇，拥有全国著名的汉阳兵工厂。吴佩孚自然不会轻言放弃。他任命靳云鹗为“讨贼联军”副总司令，刘佐龙为湖北省省长，陈嘉谟为武汉防御总司令，刘玉春为武昌守备军总司令，高汝桐为汉夏守备军总司令。武昌、汉口守兵各1万多人。
武昌为湖北省省会。武昌城墙坚固，高3丈有余，城外壕沟深二三米，城内蛇山横断东西，城外地势平坦，易守难攻。但鉴于此前连战皆败，武昌守军士气不振。守城将领曾以武昌城大兵单，不易守卫，向吴佩孚提议退师江北，以待后援。吴佩孚严厉斥责说：“尔等在湖北多年，当为湖北守省城。若弃省城，是弃湖北也。”刘玉春虽知守城非计，惟感吴佩孚知遇之恩，临危受命，决定背水一战。
9月2日，唐生智召集李宗仁、陈可钰等北伐军将领商议会攻武昌方案。也因为连战告捷，难免有些轻敌心理，多以为武昌城可一攻而下，未料首攻不克。9月3日，蒋介石偕白崇禧、加伦等抵达武昌城外。蒋自恃在东征时有惠州攻城经验，亦低估了攻城的难度，下令再度强攻，各师挑选三五百人组成奋勇队，肉搏猛冲，无奈守城吴军居高临下，火力密集，攻城士兵虽前仆后继，死伤惨重，仍无法攻下。
武昌攻城战虽受挫折，但唐生智的第8军却分别于9月6、7日迅速攻下汉阳、汉口。汉阳守军之一、湖北省省长刘佐龙被董必武策反，宣布归顺革命军。吴佩孚狼狈北遁，经孝感退至河南信阳。
汉口、汉阳相继克复后，武昌遂成孤城一座。吴佩孚命令陈嘉谟、刘玉春在武昌固守待援。北伐军见硬攻无望，转而对武昌城实施军事封锁，断绝城内与外界的一切水陆交通和电话电报通信，随后又布置工兵挖掘坑道，试图对城墙施行爆破计划。但因工程艰巨，进展缓慢。期间，北伐军曾发动过一次试探性的攻击，守军的抵抗仍很顽强；守军亦一度试图突围而未能成功。武昌被围1个月后，城内守军弹尽粮绝，城内居民更是痛苦不堪。守军军心浮动，各部多自行向北伐军洽谈投降。但刘玉春对洽降条件不满。其部下第3师师长吴俊卿等无心再战，遂单独与北伐军接洽，相约于10月10日凌晨打开城门，与此同时，北伐军各部发起总攻。围困40天之久的武昌城终于克复。武汉三镇全部为北伐军占领。
武汉克复，不仅意味着吴佩孚大势已去，亦象征着北洋正统之终结。南北新旧两大势力的最终胜负虽尚未见晓，而基本格局却已见端倪。北伐军在极短的时间里由广州打到武汉，一路所向披靡，使全国舆论对国民党的实力刮目相看。国民政府由偏安一隅一跃成为全国政局的重心。时人甚至将北伐军克复武汉称之为“第二辛亥革命”。《大公报》发表社评说：
武昌之战，可谓民国史上一大事。然吾人所重视者，尚不在于此后战局如何转移，及吴佩孚地位如何消长，而在唤醒中外，注意于两种新事实及其结论：第一，孙中山所统率之革命党，今乃有攻到武汉之武力是也。辛亥之役，党人固无兵，所以南京政府不得不与袁氏议和。自是以来，政权军权悉在北洋。洪宪之役，西南数省兴师致讨，然西南之兵，亦非革命党之兵也。所以自民六以来，由表面言，为革命派与北洋派之对峙，而内容则为数种南北军阀之互角，与革命党无与也。孙中山两番在粤，历时五年，军队皆服从，实无一服从。号称革命军，而行动与普通军阀无异。所以中山晚年太息于“南北军人一丘之貉”，然后设军校，创党军，欲为国民党造自己的武力。此次攻鄂之役，乃孙中山等多年颠扑顿挫后之新方法、新基础，而证明其成绩者也。第二，北洋正统之消灭是也。吴佩孚自民六任援湘军总司令，迄今十年，其为北洋正统所寄者……过去十五年，武力为北洋派所专有，今则革命党亦有之，以数字或军火论，北方武力尚优于南，然北军绝非一个目的，且或全无目的。党军虽少，乃统一于一个政治的主义与目标之下，就全体而言，北方已无组织，不复有袁世凯其人者笼罩一切，故无论战局变迁如何，北洋正统从此已矣。
武汉克复后，国民政府随即北迁，国民革命的中心亦由广州移到武汉。