8月16日,粤军分三路进攻桂军:左路由邓铿指挥,进攻饶平、潮安;右路由许崇智指挥,进攻大埔、梅县、兴宁。由于桂系治粤四年,作恶多端,广东人民恨之入骨,纷纷支援粤军回师。各地民军也起义响应。广东地方派军人李福林、魏邦平等又宣布脱离桂系。这样,桂军兵败如山倒,狼狈溃退。粤军于10月22日占领惠州;10月28日攻克广州。岑春煊、莫荣新等率桂军残部逃回广西。是役,孙中山损失了一位亲密战友。9月21日,朱执信为调停虎门驻军(叛桂反正)与东莞民军的冲突时不幸遇难牺牲。
粤军攻克广东后,11月10日,孙中山在上海任命陈炯明为广东省长兼粤军总司令,废除广东督军一职。11月25日,孙中山偕唐绍仪、伍廷芳等离开上海,28日抵达广州,重组护法军政府。1921年4月7日,非常国会选举孙中山为中华民国非常大总统。孙中山任命陈炯明为陆军部总长兼内务部总长,又说服他加入国民党,并任命他为国民党广东支部长。孙中山对陈炯明的抬举和忍让,并没有使陈炯明与孙中山等同心同德,他反而更加飞扬跋扈,政治野心越来越膨胀。
孙中山组建政府后,主要目标是要进行北伐,打倒军阀,统一中国。为巩固广东政权,首先要肃清桂系军阀。但陈炯明却提倡&ldo;联省自治&rdo;,反对伐桂。而桂系军阀退回广西后,并不甘心失败,1921年6月13日,桂军分三路攻粤。至此,陈炯明才被迫进行反击,和孙中山暂趋一致。
6月27日,孙中山下令讨伐桂系军阀,任命陈炯明为&ldo;援桂&rdo;粤军总司令,兵分三路还击桂军。与此同时,总统府参谋总长李烈钧与云南唐继尧、贵州卢焘也组成滇黔赣讨陆联军,从桂西、北直捣桂林、柳州,配合粤军作战。在桂粤两军决战于梧州之际,桂军刘震寰部因事先受国民党之运动,宣布独立响应,桂军便兵败溃退。粤军长驱直入,协同滇、黔、赣各军,只三个多月,全部攻占广西,陆荣廷、谭浩明等逃往越南河内。
孙中山据有两广,决定乘胜出师北伐,并屡电陈炯明令他出师参加北伐,但陈炯明以准备不足为由加以反对。10月23日,孙中山亲到广西南宁会晤陈炯明,但陈炯明仍不听劝请,最后,孙中山只得说:&ldo;两广请兄主持,唯无阻我北伐,并请切实接济饷械。&rdo;陈炯明表面答应,然后返回广州。12月10日,孙中山在桂林设立大本营,抽调军队,准备大举北代。当时参加北伐的军队有许崇智的粤军第二军、李福林的福军、朱培德的滇军、彭程万赣军、谷正伦的黔军等,共十三旅约三万人。以李烈钧为参谋长,胡汉民为民官长。而陈炯明的粤军第一军除抽出三营编为大本营警卫团外,都不参加北伐。
1922年2月3日,孙中山在桂林下令北伐。陈炯明留守广州,不但不接济饷械,反而与湖南督军赵恒惕勾结,欲置北伐军于死地。正如孙中山事后所说的:&ldo;综此二者,一为阻我前进,一为绝我归路&rdo;。3月21日,孙中山的亲密同志,留守广州的粤军参谋长兼第一师师长邓铿,被陈炯明的亲信部属暗杀。孙中山闻讯,极为哀痛和义愤,决定回师广东。在回师途中,孙中山在梧州和肇庆,两度电召陈炯明前来会晤。陈炯明不但不来,反而以辞去本兼各职相要挟。孙中山震怒,于4月21日下令免去陈炯明广东省长、粤军总司令及内务部总长三职。陈炯明于即日宣布下野,离开广州赴惠州,令其部布防于石龙、虎门等地;又密令在广西的前敌总指挥叶举(广东惠阳人)率&ldo;陈家军&rdo;主力,迅速回师广州,以对抗孙中山。
4月22日,孙中山回到广州。手下将领主张先消灭&ldo;陈家军&rdo;,再进行北伐。但孙中山为避免引起内战,同时仍希望陈炯明能回心转意,故令北伐军暂不进入广州,改在韶关一带集中。但这样做,反使叶举能率军迅速从广西回师,占据广州。陈炯明不但不回心转意,而且和北洋军阀达成反孙协议:发难成功,则授陈两广巡阅使职。
6月15日深夜,陈炯明公开叛变。他指令叶举、洪兆麟率部围攻炮击总统府和孙中山的住地观音山粤香楼,以及占领省市机关。孙中山在部属林直勉、林树巍等护送下离开总统府,天明后登上永丰舰得以脱险。孙中山在永丰舰上坚守了五十五天,指挥广州军民与陈炯明作斗争,历尽艰险,直至8月9日才离开广州,经香港赴上海。8月15日,陈炯明从惠州回到广州,自任粤军总司令,对广东实行其军阀统治。
在陈炯明广州发难的同时,陈军另一将领,第四独立旅旅长邓本殷(广东防城人),乘机在粤西攻城掠地,自树一帜,成立高州、雷州、钦州、廉州、琼州、崖县、罗定、阳江&ldo;八属联军总指挥部&rdo;,任总指挥兼第一军军长。后投靠北洋军阀以自固,被封为高雷钦廉琼崖罗阳八属督办,与陈炯明东西响应。
1922年10月19日,孙中山将进入福建的北伐军许崇智部改为东路讨贼军。同年冬天,孙中山派人联络了在广西的滇军杨希闵、桂军刘震寰部和驻梧州及西江的部分粤军,组成西路讨贼军。1923年1月4日,孙中山发出讨伐陈炯明的通电,西路讨贼军出梧州沿西江东下,&ldo;陈家军&rdo;迅速溃败。讨贼军于1月9日占领肇庆,10日占领三水,16日占领广州。陈炯明于15日通电下野,逃回老巢惠州,他的三、四万残兵也退到东江、潮梅一带,继续实行残酷的军阀统治,与革命政权对抗。