1924年10月“首都革命”后，馮玉祥電邀孫中山北上共商國是；馮、張、段天津會議后，段祺瑞和張作霖也表示歡迎孫中山北上。10月27日，正在韶關督戰的孫中山電復馮玉祥等，答應北上；30日，孫中山返抵廣州，在大元帥府召集會議，討論應對北方時局的具體辦法。為謀求中國的統一和發展，孫中山毅然決定應邀北上。11月4日，孫中山命胡漢民留守廣州，代行大元帥職權，令譚延闿辦理大本營事務，主持北伐軍事，并電告張作霖自己將即日北上。

1924年11月10日，孫中山發表《北上宣言》，主張召開國民會議以謀求中國之統一與建設，在國民會議召開之前，先召集預備會議。11月13日，孫中山抱病乘永豐艦起程北上，宋慶齡、李烈鈞、邵元沖、黃昌谷、朱和中、馬超俊等20余人隨行，汪精衛（就是汪兆銘，精衛是號）提前一天趕到香港等候。當日下午，永豐艦駛抵黃埔，黃埔軍校校長蔣介石率全體官兵登永豐艦迎孫中山登岸與黃埔師生告別，并檢閱軍校學生演習。

11月14日，孫中山抵達香港，隨即轉乘日本郵船春陽丸啟程赴滬；16日，孫中山抵達吳淞口，次日乘褒爾登號小火輪在法租界公司碼頭上岸，于右任、石青陽、戴傳賢、楊庶堪、居正、宋子文、蔣作賓、葉楚傖和段祺瑞代表光云錦，齊燮元代表凌鐵庵等20余人到吳淞口迎接，上海各界和市民則有一萬多人在碼頭歡迎。11月19日下午，孫中山在寓邸舉行茶話會，接見上海和日本記者，發表了一個半小時的演說，宣布了自己對時局的主張和對中國前途的展望。

當時，由于北方戰爭的影響，京滬之間的交通極為困難，津浦鐵路已久不通車，上海到天津的輪船也十分擁擠，兩個星期內的頭等艙座位都已預訂完畢。為了趕赴北京，孫中山決定繞道日本轉赴天津，隨行只要宋慶齡、戴傳賢、黃昌谷相伴，其它人員分別乘船至天津集合。11月22日，孫中山偕隨員搭日輪上海丸赴日本，23日抵達長崎，并在船上接見了記者、政界人士和中國學生；24日，孫中山抵神戶，歡迎人群達5000多人，各界慕名造訪者絡繹不絕，孫中山前后演講十余次；30日，孫中山離開神戶，乘北嶺丸前往天津。

1924年12月4日，孫中山抵達大沽口，當時汪精衛已經抵達，并登船向孫中山報告北方政情。當日中午，北嶺丸抵天津碼頭，約計有兩萬余人在碼頭歡迎，段祺瑞和國民軍也派代表登船恭迎。隨后，孫中山在天津日租界張園行館下榻；當日下午，張作霖派代表到張園向孫中山問候，孫中山隨即趕赴河北曹家花園拜訪張作霖，與其進行了一個多鐘頭的會談。事后，張作霖曾對汪精衛說：“我從前以為孫先生是個很難說話的人，今天見了面才知道他是一個溫厚君子。可惜北京的各國公使都反對他，大概因為孫先生聯俄的原故，你可不可以請孫先生放棄聯俄的主張，我張作霖一定可以叫各國公使和孫先生要好的。” ；不過，張作霖顯然是批評錯了孫中山，外國公使不喜歡孫中山是因為孫中山北上前一再強調反對帝國主義，取消不平等條約，這些話外國人是自然不愛聽的。

12月的北方氣候極其寒冷，生長在南方的孫中山頗不習慣，再加上到天津時，又是脫帽站立、照相，又是四處奔波，因此在拜訪完張作霖回到張園后，孫中山就開始發燒，肝部也感覺疼痛。于是，本來安排好的當晚社會各界在張園舉行的歡迎會便臨時取消了，不過前來診治的醫生卻并沒有檢查孫中山肝部的情況，只是按感冒醫治。孫中山服藥后，經幾天調養，燒是退了，但肝部仍疼痛不止。

孫中山在天津期間，對政治形勢的發展給予了密切關注，由于他堅決主張國家至上、民族至上，主張廢除不平等條約，因此列強對他頗不滿意，法國領事甚至不許孫中山通過租界，也反對他在法租界居住。當時北京政府正急切的希望能獲得列強們的承認，而列強則要挾北京新政府必須尊重過去一切條約，不能任意變更。在此情況下，段祺瑞向列強妥協，表示愿意尊重列強的既得利益以換取列強承認新政府。至此，孫、段、張三角同盟發生分裂，尤其是孫、段之間，在是否廢除不平等條約問題上分歧嚴重。

1924年12月3日，北京臨時執政府閣議決定，在執政府成立后一個月內召集善后會議，三個月內召集國民代表會議。12月18日，段祺瑞派特使赴天津歡迎孫中山來京，并探望其病情，特使在病榻前向孫中山報告了北京的情況，孫中山對段祺瑞向列強屈服的行為深為不滿，大罵了特使一通，病情也隨之復發。12月23日，臨時執政府公布了善后會議組成，軍閥、官僚、政客均在其中，于是孫中山屢次要求兼納人民團體代表，全國各界也相繼聲援，但段祺瑞最后僅同意在善后會議各專門委員會中聘請各省議會議長和教育會、農會、商會各會長一人為委員，這也是后來1925年2月1日善后會議開幕時，國民黨中央委員會對其不予承認的原因。

在天津進退兩難的孫中山病情每況愈下，隨行人員認為與其在天津既不利于養病，又于國事無補，倒不如到北京療養。在得到孫中山的應允后，在津國民黨人積極部署移京安排，12月31日，孫中山由天津赴北京，當天下午4時抵達北京前門車站。當時，有30多萬北京市民在前門車站聚集，爭睹民國偉人風采，這使得重病在身的孫中山精神為之一爽；北京政府全體閣員、各大專學校校長、各團體代表、各機關首長也都在車站歡迎，為了顧及孫中山病體，乃由歡迎人群推舉總代表一人登車歡迎。接著，孫中山乘汽車直赴北京飯店，媒體記者也隨后跟來，孫中山派汪精衛為代表接見了記者。

1925年1月20日后，孫中山病情加重，高燒、不能飲食。在醫生的建議和宋慶齡的勸說下，孫中山于1月25日住進協和醫院，并進行了手術。手術中發現，孫中山所患之病乃是肝癌，且已到末期，無法醫治，只能以鐳錠放射法阻止癌細胞繼續蔓延。

2月20日，孫中山病情加重，醫生認為搶救成功希望不大，不如趁其清醒之時，請示遺言。于是，隨行人員推舉汪精衛、孫科、宋子文、孔祥熙為代表，面請孫中山交代遺言。但孫中山似乎不愿如此，雙方說來說去，兜了好幾個大圈子，孫中山還是沒有交代遺囑的意思；最后，汪精衛說：“我們已經預備了一份稿子，請先生核定，現在我念給先生聽，如果不合您的意思，就請您指示數語，我可筆記。”，念完之后，孫中山極為滿意，于是這篇稿子便成了后來為世人所熟知的孫中山遺囑。之后，汪精衛又拿出第二稿，這是留給家人的，由宋子文報告，汪精衛親自念讀，孫中山也很滿意。正當汪精衛打算拿筆墨請孫中山簽字時，孫中山聽到房外宋慶齡大哭的聲音，于是說：“你先收好，我還不至于就死，改天再簽字吧！” 。

1925年3月11日，孫中山病危，于病榻上在前幾日汪精衛準備的兩份遺囑上簽字，宋慶齡、孫科、張人杰、吳敬恒、汪精衛、宋子文、孔祥熙、戴恩賽、邵元沖、戴傳賢、鄒魯、陳友仁、何香凝依次簽字為證明人，汪兆銘則署筆記者。接著，孫中山留下最后遺言：

“我此次放棄兩廣直上北京，為謀和平統一，所主張統一方法是開國民會議，實行三民主義和五權憲法，建設新國家。茲為病累，不克痊愈，生死本不足念，惟數十年所致力之國民革命，所抱定之主義，未能完全實現，不無遺憾。甚望諸同志努力奮斗，使國民會議早日開成，達到實行三民主義和五權憲法之目的，如是我在九泉之下亦堪瞑目。”

說到此處，孫中山甚為激動，而呼吸也越發困難，由于說話太多，精神不繼，以致下面的話都說不清楚了，眾人只聽到微弱的聲音不斷反復：“和平、奮斗、救中國。”

1925年3月12日上午9時30分，締造中華民國的一代偉人與先覺孫中山在北京鐵獅子胡同行轅與世長辭，享年60歲，留下的是一個等待統一的、紛亂的中國。

同日，北京臨時執政府決定給予孫中山國葬，全國各機關下半旗三日志哀，北京公使團亦下半旗。全國各地聞知孫中山去世，也自動舉哀，萬民雨泣。在北京鐵獅子胡同的孫中山行轅內，國民黨留京同志含哀開會，討論治喪事宜，孫中山家屬遵照遺示，遺體施以防腐劑，用科學方法保存；同時，國民黨中央執行委員會在京委員開會，決議葬儀用國民體制以示平等，拒絕北京臨時政府的國葬令，并遵孫中山遺命，以南京紫金山為安葬地。3月15日，在完成防腐手術后，舉行大殮，靈堂內外哭聲震天。3月19日，孫中山靈柩移至中央公園社稷壇，從協和醫院到中央公園，一路上沿途步行護靈致哀者約12萬人。4月2日，孫中山靈柩被安置于北京西山碧云寺，送殯者達到30萬人。

1925年4月16日，廣州政府將廣東省香山縣改名為中山縣，永豐艦改名為中山艦。

孫中山大喪期間，海內外致送挽聯極多，其中就有當初背叛過孫中山的陳炯明送來的一副，頗可一讀：

惟英雄能活人殺人，功首罪魁，留得青史在
與故交曾一戰再戰，公情私誼，全憑赤心知

陳炯明在孫中山病逝前已痛悔自己的背叛行為，曾請吳稚暉代作悔過書，但未及送達，孫中山就去世了。1933年，陳炯明因腸炎病死香港，死后家無長物，貧難為殮，吳稚暉有挽聯追述其事：

一身外竟無長物，青史留傳，足見英雄有價
十年前所索悔書，黃泉送達，定邀師弟如初