統(tǒng)一兩廣，出師北伐，無疑是孫中山第二次在廣州建立政府的中心任務。事實上，他在就任非常大總統(tǒng)前就已部署粵軍進襲廣西。7月，正式下討伐令。僅僅用了兩個月的時間，連克南寧、桂林，攻取桂系據守的最后據點龍州，完成西征任務。兩廣統(tǒng)一，北伐被提上議事日程。國會非常會議早在8月就通過出師北伐的決議，咨請孫中山明令討伐北洋政府，統(tǒng)一國家。孫中山在歡宴討桂凱旋的將領時，重申了“統(tǒng)一中國，非出兵北伐不為功”的信念。《民國日報》1921年9月14日。10月中旬，孫中山出巡廣西，準備北伐，組織大本營隨行。北伐軍3萬人也于同日開拔。他在南寧與率部駐防的陳炯明討論了有關北伐的事宜，反復說明北伐的意義，要求陳炯明抽調粵軍40個營參加，由廣東承擔供應餉械的任務。表示“此次北伐而勝，當然不會回到廣東；不幸而敗，亦無面目再回廣東”。熱衷于“聯省自治”的陳炯明卻充耳不聞，還散布什么“亦未有餉有械，焉能出師對抗”的反對論調，甚至與直系軍閥秘密勾結。孫中山堅持北伐，不為所阻，利用駐桂的短暫機會，進行了整軍工作——設立大本營及下屬機構，將駐桂準備北伐的粵、滇、黔、贛4省軍隊編為7個軍，進行三民主義思想教育，加強軍事訓練。1922年初，北伐軍已大體整編完畢，待命出發(fā)。孫中山于2月頒發(fā)動員令，飭令各軍分路出師北伐。李烈鈞率滇、黔、贛軍為第一路，兼攻贛南和鄂東。許崇智率本部粵軍為第二路，協同湘軍直襲武漢。中旬，前鋒部隊分別進入湖南。北伐戰(zhàn)爭的序幕拉開。

然而，北伐事業(yè)遭到諸多阻礙。首先，湖南督軍趙恒惕拒絕北伐軍過境。更為嚴重的則是陳炯明的反對已經發(fā)展為公開的干擾和破壞。積極擁護孫中山北伐的粵軍第一師師長鄧鏗被陳炯明部下刺殺，成為形勢急劇惡化的預兆。孫中山被迫變更原定的北伐計劃，決定率軍返粵，師次梧州，陳炯明突然調動部隊阻止北伐軍回師。孫中山在梧州召開軍事會議，決定出師江西，設大本營于韶州，集中各軍。魯直之：《陳炯明叛國史》，第271頁，上海，1922年版。5月上旬，北伐軍分三路進襲江西。同時，孫中山免除了陳炯明的廣東省長、粵軍總司令和內務部長的職務，著其專任陸軍部長，并反復勸導他改變態(tài)度。陳炯明表面上退居惠州，暗中指示葉舉率軍進駐廣州。為了扭轉局面，孫中山于6月1日返回省城。當時陳炯明部的叛跡已露，孫中山勸誡無效，于是向輿論界揭露，指出“廣東軍人武武相護，反對北伐”。6月16日夜，陳炯明部發(fā)動叛亂，突然炮擊總統(tǒng)府，陰謀殺害孫中山。雙方力量懸殊：孫中山的警衛(wèi)部隊僅500人，且只配有輕武器；叛軍數目約3萬人，裝備有重炮等。孫中山只得先期出走。宋慶齡隨后也脫險，并于次日在永豐艦上與孫中山見面。稍后，經香港赴滬。他避登軍艦后立即發(fā)出討伐陳炯明的號召，并率艦隊炮轟叛軍；同時，急令北伐軍回師廣州。在極其困難的情勢下，孫中山冒著溽暑堅持在艦艇上戰(zhàn)斗近兩個月之久。但因北伐軍在韶關一帶失利。不克南旋討伐新軍閥。8月9日，孫中山不得不離穗赴滬，途中表示“一息尚存，此志不懈”。蔣介石：《孫大總統(tǒng)廣州蒙難記》，第27~28頁，上海民智書局1926年版。抵達上海后，孫中山再次發(fā)表宣言，揭露陳炯明的叛亂罪行，決心繼續(xù)為捍衛(wèi)共和而戰(zhàn)斗——“凡忠于民國者，則引為同志；不忠于民國者，則引為敵。義之所在，并力以赴。”《民國日報》1922年8月16日。他將北伐軍改為討賊軍，并派代表赴西南聯絡滇、桂軍討陳。第二次護法運動又以慘痛的敗局告終。