1927年4、5月間，武漢和南京政府兩路北伐，相繼攻克鄭州和徐州，革命勢力已經觸抵黃河南岸，奉軍遂決定放棄隴海。5月底，張學良從鄭州退入河北，直魯軍張宗昌也從江蘇撤回山東。此時，北京的北洋軍閥政府已是風雨飄搖，北方局勢正醞釀大變。

6月間，奉軍在被南方政府軍打回黃河以北的同時，山西晉系的閻錫山也暗中易幟參加革命，西北馮玉祥也與武漢國民軍會師中原，奉軍在軍事上已處劣勢。由于奉系一向以“討赤”標榜自己，而南京的蔣介石當時也已經公開反共，因此奉系內部年輕的一輩都主張改旗易幟，加入國民革命軍，但老一輩卻不贊成。6月9日，奉系高層在北京順承王府召開會議，新老兩派達成諒解，決定有條件的接受三民主義，與山西閻錫山和革命軍停戰合作，主張召開國民會議決定國家未來，改組北京政府，并在停戰和合作達成后，盡快與南方政府合并。

但是，奉系直魯軍首腦張宗昌和直系孫傳芳堅決反對參加革命，二人聯袂入京反對奉系與革命軍合流，并極力主張改組北京政府，推薦潘復組閣。然而當時北京政府根本沒有元首，正處于國務院攝行大總統職權期間，所以也自然沒有人能合法的下達改組內閣的命令。為此，張宗昌和孫傳芳決定請出張作霖就任陸海軍大元帥，然后以大元帥的身份命令潘復組閣，這樣可以避免由顧維鈞內閣任命，而涉嫌承認曹錕憲法。6月16日，奉系又在北京順承王府召開會議，張宗昌慷慨陳詞，強調如今的敵人已經不是北洋系，而是南方，因此非戰不可，不戰必亡，如果張作霖升做大元帥，那么今后就算退出關外，也可以以“大元帥”的稱號效仿當年孫中山在廣州的樣子，號召力不弱。張作霖聽后，當即決定接受張宗昌的建議。當日，顧維鈞辭職，內閣總理職務交由胡維德代理。

1927年6月18日，安國軍政府（亦稱北京軍政府）正式成立，張作霖在懷仁堂就任“中華民國陸海軍大元帥”，并以大元帥名義任命潘復組閣，這是中華民國北京政府第32任內閣，也是最后一任。根據張作霖后來發布的《軍政府組織令》，北京軍政府的首腦是陸海軍大元帥，大元帥總攬陸海軍全權，并“代表中華民國行使統治權”；軍政府實行軍政合一，在元帥府外不再設置任何形式的民意機關，大元帥也不對任何機關負責。這樣一來，張作霖實際上就成為了當時最大的獨裁者，國務院及所屬各部都是其附屬物，總理和總長們也不過是他任意支配的工具罷了。

1927年6月下旬到7月間，“策反”馮玉祥未遂的蔣介石出兵魯南，進攻張宗昌的直魯軍。張宗昌因山東是其根據地，所以拼死抵抗，而此時南方寧漢政府之間又存有矛盾，北伐軍因此圍困臨沂近30日而無法攻破，只得撤軍南返。7月下旬，孫傳芳和張宗昌聯合南下，于23日攻破徐州，北伐軍因寧漢分裂之爭而未能全力應付。接著，孫傳芳不顧張作霖的勸阻，也不管張宗昌在濟寧和徐州為馮玉祥所牽制而無法策應自己的現實，一意行險僥幸，欲驅兵南下攻打南京，是以引發了龍潭之役。

在北伐戰爭的歷史上，龍潭之役和汀泗橋、武昌、南昌等戰役齊名。1927年8月中旬，北伐軍前線各軍陸續撤回長江南岸，蔣介石也已經下野，長江一線防御比較脆弱。8月25日夜，孫傳芳率軍趁大霧渡江，主渡地點為龍潭。不久，龍潭失守，長江南岸各要地也被孫傳芳占領，一時間南京危急，蘇常震動。南京軍事委員會常委何應欽、李宗仁兩位總指揮在南京獲知孫傳芳渡江的消息后，立即派兵增援，白崇禧也自下游緊急馳援，南北兩軍激烈交戰，互有勝負，龍潭兩度易手。8月28日，國民政府海軍來援，截斷江面，阻止了孫傳芳軍隊的繼續南渡，而此時孫傳芳已有5萬軍隊渡過了長江，主力已進逼南京。

8月30日凌晨，孫傳芳發動了全線總攻，國民革命軍也發動了攻勢，至當日傍晚，國民革命軍擊潰孫傳芳各部，克復龍潭。31日，革命軍在龍潭又與發動反攻的孫傳芳軍展開大戰，何應欽、白崇禧親臨前線指揮，最終將孫傳芳擊退。至當日下午，渡江的孫傳芳軍除部分逃回江北外，其余全部被殲滅。

龍潭之役中，孫傳芳渡江部隊被俘3萬余人，傷亡無數，而國民革命軍也陣亡了八千余人，戰況之慘烈為北伐以來所僅見。9月2日，國民革命軍奉命渡江北上追擊，乘勝攻占了江北十數座重鎮，元氣大傷的孫傳芳一路遁逃，再無反攻之力了。

再看北方戰局。1927年7月中旬，已經易幟加入國民革命軍的晉系閻錫山占領了河北石家莊，迫使奉軍后退。隨后，張作霖和張宗昌先后要求閻錫山退出石家莊，以便奉魯軍南下進攻馮玉祥，但閻錫山置之不理。由于當時南方局勢不穩，因此張作霖沒有緊逼閻錫山，而是暫緩奉軍南下的計劃。這一時期，馮玉祥已經占領了鄭州和開封，直接與奉軍和直魯軍勢力接觸，壓力很大，而南方的國民革命軍又因寧漢之爭不能立即北援，馮玉祥因此以直隸京津地盤為條件，于1927年9月與晉系閻錫山結盟，對奉軍開戰。

9月27日，晉軍炸毀鐵軌，將一輛從張家口開往包頭的列車截留，而該車正是奉系大員于珍和趙倜等的專車，他們本來是要前往綏遠檢閱部隊，但沒想到中途卻被晉軍劫持，并解往大同。當日，奉晉戰爭爆發。當時，晉奉兩軍在京綏、京漢兩路的兵力至少均在10萬以上。起初，晉軍的攻擊非常猛烈，在保定一帶與奉軍大戰，但隨后奉軍包抄了晉軍的后路，使戰局開始變化，同時，石家莊也被直魯軍孫殿英部及奉軍張樹森部所占領，因此在京漢路上，晉軍大勢已去。接下來，奉晉又在涿州展開鏖戰，奉軍前后發動五次總攻，一直到12月都沒有拿下由晉系傅作義把守的涿州。

在京綏路上，奉軍自10月起進展就比較順利，至11月3日已經占領大同，后又攻占綏遠城，進至包頭，奪取平型關。但是，山西地勢險要，交通不便，易守難攻，因此隨著戰線的深入，奉軍也越來越困難，山西戰局遂漸成對峙之勢。

1927年10月，就在奉晉開戰的同時，直魯聯軍還對馮玉祥發起了進攻。開戰后不久，來勢洶洶的直魯軍連克數城，直逼開封；馮玉祥隨即調兵遣將與直魯軍展開決戰，至11月1日收復蘭封，直魯軍戰線崩潰。蘭封大戰后，張宗昌決定乘南京方面何應欽部尚未渡過淮河前，集中兵力擊潰馮玉祥，于是又集結10多萬軍隊，分三路推進，發起進攻。

馮玉祥為對付直魯軍進攻，將部隊撤回，集中兵力應戰。經半個月的戰斗，馮玉祥大勝，并趁勢反攻，至12月初已進抵徐州城下，切斷了津浦路，將北洋軍巨頭張宗昌、孫傳芳、褚玉璞等悉數困于徐州城內。此時，由于馮玉祥勞師襲遠、久戰俱疲，已是強弩之末，因此沒有急于攻城，而是等待南京國民革命軍何應欽部抵達，再會攻徐州。12月9日，何應欽沿津浦路北上進至曹村，旋即電約馮玉祥會攻徐州。12月14日，何、馮兩軍向徐州發動總攻；16日，國民革命軍再度克復徐州。

從10月到12月，奉軍與晉系涿州守將傅作義又打又談，始終沒有結果。一直到12月底，涿州彈盡糧絕，人心不穩，而馮、何又已攻陷徐州，傅作義這才與奉系談判，并于1928年2月開城，傅作義因孤軍守城100余日而揚名中外。