军需主任将武器运回去一个月，革命军出师北伐，作为先锋的第四军独立团和第七军向湖南进发，迅速攻占了长沙，随后挥师向着武汉进发，左纵队（第8军）和右纵队（第4、第7军）攻取岳阳、平江，直指武汉；第2、第3军、独立第1师和第5军第46团集结醴陵、攸县等地，对江西警戒，掩护北伐军侧背安全；黔军改编的第9、第10军从湖南常德地区进取湖北沙市、荆门，相机占领宜昌、襄阳；第6军和第1军第1、第2师为总预备队。
北伐大军相继入湘，分成左，中、右三路，向湘北直军发动进攻。8月19日，中央军向汨罗江北岸发起进攻。右纵队第4军进攻平江，其右翼第10师从托田渡汨罗江进占肥田，左翼第12师借其掩护，由白雨湖渡汨罗江，一部向天岳山、鲁肃山实施佯攻，一部向平江城东北攻击前进，经过激战，守军由北门退入城内。独立团向平江城东门猛攻，击退守军，攻入城内。平江守军1个旅被缴械。与此同时，右纵队第7军第1、第2旅分别占领浯口、黄塘后，在将军坪击退顽抗之敌，迅速向张家牌前进。第8旅猛攻将军山，遭守军反击。第7军使用预备队从两翼投入战斗，击退守军，攻占张家牌。左纵队第8军于同日渡过汨罗江后，未遭抵抗，即分别占领长乐街、黄谷市。之后，左右两个纵队乘胜前进，至8月22日连克岳阳、通城、羊楼司等地，开始进入湖北境内作战。在此期间，吴大帅率部协同奉军在直隶南口等地将革命军击败后，调兵南下，亲率湖北暂编第4师和陆军第8师于8月25日抵达汉口，令自岳阳、通城败退的湖北暂编第1师和卫兵旅等部共万余人固守湖北咸宁地区汀泗桥，并派第25师第13混成旅另1个团增援。另以陆军第8师进至贺胜桥地区设置坚固阵地；武卫军占领纸坊，鄂军第3旅及部分湘军残部在白螺矶、新堤、嘉鱼一带，协同海军阻止国民革命军渡江。
8月25日，国民革命军第四军独立团作为第12师的前卫，奔袭粤汉铁路上的中伙铺车站，歼灭直军1个团；第10师进占杨泉畈。第7军占领大沙坪、桂口市。第8军占领临湘、羊楼洞、蒲圻等地。第8军攻取汉阳、汉口，第4、第7军沿铁路北进，攻取武昌。
第12师第35团在高猪山击退直军一部的阻击，进至铁路桥头，遭对方火力封锁；第36团进至汀泗桥东南高地前，遭敌俯射，前进受阻。第10师第29、第30团分别在第36团两侧展开，激战入夜，仍无进展。第36团乘夜暗实施中央突破，也未得手。第12师决心以独立团和炮兵营向汀泗桥东北的古塘角迂回，从右侧后包围歼敌。27日凌晨，独立团从小路隐蔽接近古塘角，配合正面部队的全线攻击。直军遭前后夹击，全线溃败，被俘2400余人，残部向北逃遁。第4军占领汀泗桥。独立团乘胜猛追，当日中午攻占咸宁城。吴大帅亲率湖北暂编第4师和陆军第8师及在汀泗桥战役中败退的残部共2万余人，在贺胜桥及其以南的杨林塘、桃林铺、王本立地区梯次设防，企图死守。国民革命军不给直军以喘息之机，于1926年8月29日由第4、第7军发起贺胜桥战役。第7军第8旅在袁家铺附近击退直军约1个团的抵抗后，向王本立前进，途中遭直军反击，被迫后撤。第4军第12师在杨林塘附近与直军激战后，形成对峙。30日拂晓，第4、第7军继续攻击，叶挺独立团猛打猛冲，在杨林塘突入直军主阵地，向桃林铺攻击前进。此时，直军一部从侧翼反击，企图对叶挺独立团实施包围。第10师第28团和第12师第36团适时增援，协力抗敌，突破直军桃林铺防线，向贺胜桥发展进攻。第7军攻占王本立后，迅即向贺胜桥东侧的南桥攻击。直军正面失利，侧背受敌，全线动摇，纷纷溃退。国民革命军于当日上午占领贺胜桥，俘敌3500余人，中路第四，第七、第八军主力全线击破汨罗江直军防线，继在汀泗桥、贺胜桥打败直军主力，进围武昌，一部绕道攻克汉阳、汉口，前锋进追武胜关。吴佩孚迅速集结兵力，企图凭借长江、汉水固守武汉。部署以陆军第3、第8师和第25师等部守备武昌；陆军第14师守备汉阳、汉口；另以湘军残部在沌口、金口，武卫军和河南第10师在阳逻、黄冈，湖北暂编第2师和河南暂编第2师在蔡甸、沙洋，第13混成旅、浚滑游击队等部在汉口附近地区，保障武汉的安全。国民革命军于9月1日包围武昌城。2日，前敌指挥部决定以第4军并配属第1军第2师和第7军第7、第8旅主攻武昌城；第8军继续准备进攻汉阳、汉口；第7军第1、第2旅在鄂城、樊口遮断直军长江交通，掩护攻城部队侧背安全；第1军第1师为总预备队，在崇阳待命。由于武昌城墙高筑，直军防守严密，攻城部队在缺乏周密准备的情况下，先后于3日、5日两次攻城，均未奏效，且伤亡甚重，遂对武昌改取封锁围困。
第8军于8月26日开始在临湘、嘉鱼间陆续渡过长江，9月5日向汉阳发起攻击。直军湖北暂编第2师倒戈，改编为国民革命军第十五军，配合第8军作战，6日攻占龟山。第8军第2师攻占汉阳兵工厂，第4师占领汉阳城。7日，第8军第2师渡过汉水，攻占汉口。吴大帅率残部北逃。第8军主力乘胜追击，至16日相继占领武胜关、平靖关、鸡公山和九里关。国民革命军攻占汉阳、汉口后，武昌已成孤城。
9月中旬，第7军和第1军第2师奉调入赣作战，由第4、第15军和第8军一部继续封锁围困武昌。10月8日，守军第3师师长率部投诚。10日，攻城部队在吴投诚部队接应下攻占武昌城，歼敌2万余人，生擒守城司令、第8师师长。正当国民革命军席卷湘、鄂，吴大帅军队濒于崩溃之际，孙大帅于8月25日在南京召开军事会议,决定从苏、浙、皖调兵10万入赣，会同其驻赣部队2万余人进攻湘、鄂；并令福建督理部进袭广东，威胁国民革命军后方。国民革命军总司令部为达到占领江西的预定目标，决定对江西转取攻势。
9月上旬，国民革命军分三路进军江西。在赣南，第2军第5师、第5军第16师第46团和第14军先于其他方向行动，攻占赣州后沿赣江北上，向吉安方向发展进攻。
在赣西，由第3军和第2军主力占领萍乡后，连克宜春、万载、分宜，在新喻与孙大帅麾下的直军一部激战三昼夜占领该地后，第3军向高安、第2军主力向樟树方向进击。在赣西北，第6军和第1军第1师分别克修水、铜鼓，继占奉新和高安。9月19日，第6军第19师乘虚攻占南昌城。孙大帅急从南浔铁路沿线和樟树地区调兵反击。由奉新向南昌攻击前进的第1军第1师在牛行受挫，伤亡甚重。第19师孤军苦战三日后，被迫于21日退出南昌。次日，第19师得本军第17师增援，再次攻入南昌，又遭直军优势兵力围攻，遂于23日突围，撤向奉新地区。
在此期间，孙大帅将其在赣、闽的部队编组为5个方面军，并设司令部于九江，亲自坐镇指挥，计划以一路反攻南昌后，由高安方向进击长沙；一路由武宁越过九宫山攻取湖北通山；一路由武穴渡江攻阳新，在咸宁、蒲圻间截断武昌至长沙铁路，然后北上解救武昌。