统一两广，出师北伐，无疑是孙中山第二次在广州建立政府的中心任务。事实上，他在就任非常大总统前就已部署粤军进袭广西。7月，正式下讨伐令。仅仅用了两个月的时间，连克南宁、桂林，攻取桂系据守的最后据点龙州，完成西征任务。两广统一，北伐被提上议事日程。国会非常会议早在8月就通过出师北伐的决议，咨请孙中山明令讨伐北洋政府，统一国家。孙中山在欢宴讨桂凯旋的将领时，重申了“统一中国，非出兵北伐不为功”的信念。《民国日报》1921年9月14日。10月中旬，孙中山出巡广西，准备北伐，组织大本营随行。北伐军3万人也于同日开拔。他在南宁与率部驻防的陈炯明讨论了有关北伐的事宜，反复说明北伐的意义，要求陈炯明抽调粤军40个营参加，由广东承担供应饷械的任务。表示“此次北伐而胜，当然不会回到广东；不幸而败，亦无面目再回广东”。热衷于“联省自治”的陈炯明却充耳不闻，还散布什么“亦未有饷有械，焉能出师对抗”的反对论调，甚至与直系军阀秘密勾结。孙中山坚持北伐，不为所阻，利用驻桂的短暂机会，进行了整军工作——设立大本营及下属机构，将驻桂准备北伐的粤、滇、黔、赣4省军队编为7个军，进行三民主义思想教育，加强军事训练。1922年初，北伐军已大体整编完毕，待命出发。孙中山于2月颁发动员令，饬令各军分路出师北伐。李烈钧率滇、黔、赣军为第一路，兼攻赣南和鄂东。许崇智率本部粤军为第二路，协同湘军直袭武汉。中旬，前锋部队分别进入湖南。北伐战争的序幕拉开。
然而，北伐事业遭到诸多阻碍。首先，湖南督军赵恒惕拒绝北伐军过境。更为严重的则是陈炯明的反对已经发展为公开的干扰和破坏。积极拥护孙中山北伐的粤军第一师师长邓铿被陈炯明部下刺杀，成为形势急剧恶化的预兆。孙中山被迫变更原定的北伐计划，决定率军返粤，师次梧州，陈炯明突然调动部队阻止北伐军回师。孙中山在梧州召开军事会议，决定出师江西，设大本营于韶州，集中各军。鲁直之：《陈炯明叛国史》，第271页，上海，1922年版。5月上旬，北伐军分三路进袭江西。同时，孙中山免除了陈炯明的广东省长、粤军总司令和内务部长的职务，着其专任陆军部长，并反复劝导他改变态度。陈炯明表面上退居惠州，暗中指示叶举率军进驻广州。为了扭转局面，孙中山于6月1日返回省城。当时陈炯明部的叛迹已露，孙中山劝诫无效，于是向舆论界揭露，指出“广东军人武武相护，反对北伐”。6月16日夜，陈炯明部发动叛乱，突然炮击总统府，阴谋杀害孙中山。双方力量悬殊：孙中山的警卫部队仅500人，且只配有轻武器；叛军数目约3万人，装备有重炮等。孙中山只得先期出走。宋庆龄随后也脱险，并于次日在永丰舰上与孙中山见面。稍后，经香港赴沪。他避登军舰后立即发出讨伐陈炯明的号召，并率舰队炮轰叛军；同时，急令北伐军回师广州。在极其困难的情势下，孙中山冒着溽暑坚持在舰艇上战斗近两个月之久。但因北伐军在韶关一带失利。不克南旋讨伐新军阀。8月9日，孙中山不得不离穗赴沪，途中表示“一息尚存，此志不懈”。蒋介石：《孙大总统广州蒙难记》，第27~28页，上海民智书局1926年版。抵达上海后，孙中山再次发表宣言，揭露陈炯明的叛乱罪行，决心继续为捍卫共和而战斗——“凡忠于民国者，则引为同志；不忠于民国者，则引为敌。义之所在，并力以赴。”《民国日报》1922年8月16日。他将北伐军改为讨贼军，并派代表赴西南联络滇、桂军讨陈。第二次护法运动又以惨痛的败局告终。
