1926年7月，广州国民政府正式出师北伐。

9月，冯玉祥在五原誓师，加入国民革命军行列，出兵响应北伐。

阎锡山为讨好冯玉祥，把收编西北军的韩复榘、石友三、陈希圣三个师归还给他，而阎锡山自己则伺机观变，按兵不动。

10月，北伐军攻占武汉。

广州国民政府派代表到太原，请阎锡山派人到武汉商讨参加北伐事宜。

阎锡山派老同盟会员赵丕廉前往。

赵丕廉到武汉会见了国民革命军政治部主任邓演达，又到南昌会见了国民革命总司令蒋介石。

国民政府请阎锡山早日在山西举事，并授他为北方国民革命军总司令。

阎锡山了解详情后，并不马上表明态度，也就任北方国民革命军总司令一职，仍持观望态度。

冯玉祥多次催促他出兵讨奉，他置之不理。

到了1927年6月，北伐军会师郑州，奉军溃败北撤，他认为时机已到，才宣布就职，开始悬挂青天白日旗，正式归属国民政府，并出兵娘子关，占领石家庄。

随后，他又按兵不动，保存实力。

7月，他在山西实行&ldo;清党&rdo;运动，同时，又进行了山西第三次扩军，收编了一些地方部队，把晋绥军统编为七个军。

对阎锡山的易帜，张作霖甚为不满，派人到山西拉拢，并以&ldo;安国军政府&rdo;副元帅相许。

阎锡山表示，虽然易帜，但不一定与奉张决裂。

张作霖见阎锡山按兵不动，加上宁汉不和，蒋介石被逼下野时之机，率兵南下反攻，一路攻打在河南的武汉国民政府之张发奎部，一路沿津浦线援救孙传芳。

与此同时，张作霖也派于珍前往丰镇平地泉一带部署军事。

阎锡山察觉此举是针对自己来的，便于1927年9月，公开与张作霖决裂，向奉军发起攻击，爆发了晋奉之战。

开战之初，晋军占主动地位。

阎锡山以徐永昌为右路军总指挥、孙楚为前敌指挥，集中四个军的步兵附以骑兵和炮兵，沿京汉路西侧前进。

以商震为总指挥，张荫梧为前敌指挥的左路军，集中两个军的步兵附以骑兵、炮兵沿京绥路两侧前进。

另以傅作义及李服膺两部，出蔚县走山路，直取北京。

晋军开战告捷，右路军占领石家庄、新县，向望都攻击，左路占领宣化。

10月7日，奉军反攻。

激战十天，奉军在京汉线占领了定州、正定、石家庄；在京绥线占领了宣化、张家口、柴沟堡。

晋军全线撤退。

奉军又集中号称三十万大军，张学良、韩麟春部沿京汉线，张作相、万福麟部沿京绥线大举攻击。

晋军凭险固守，奉军无法突破晋军防线，战争呈胶着状态。

从10月15日双方开始了围绕涿州的为时三个月的空前激烈的攻守战，直到1928年1月12日晋军撤退，奉军和平接受涿州城，战事始告结束。