作戰計劃擬定後，蔣即馳赴前線，加入右翼軍作戰。

粵軍新攻勢開始，桂軍在各戰線上俱露疲態，側面後方俱受威脅，士氣沮喪，戰鬥力大減。迫不得已，乃擬將惠州交與李根源，調回林虎、馬濟以對抗宣佈獨立的魏邦平和李福林。可是李根源卻孤軍難支，遭粵軍猛擊，損失子彈300餘箱，團長一名亦被擊斃，桂系的滇軍陷於極端困境。

10月20日粵軍第二軍軍長許崇智因病請假，由蔣代統其軍，聲威大震，所向克捷，桂軍三四千人棄泰尾焚掠民居向惠州潰退。

10月21日，粵軍第二軍進至黃麻陂，粵軍熊略部佔領橫瀝，鄧鏗部進至家公嶺與和平山的左翼軍聯絡。合圍後，粵軍乃於22日一舉攻克惠州城，桂軍向博羅鯉湖退卻。江門警衛軍和高、雷、欽、廉、瓊各處民軍四起應援，東江桂軍進退失據，廣州桂軍又陷於被圍攻中。這時候的桂系已成強弩之末，只希望能安全離粵就於願已足了。

10月23日陳炯明召集軍事會議於惠州，決定總攻廣州計劃。以左翼軍掃除增城的桂軍，向龍門埔前進，進攻廣州的西北；以中路軍掃除石龍的桂軍，沿廣九路右方前進，集中龍眼洞，擔任東面的攻擊；以右翼軍掃除東莞的桂軍，沿廣九路左方前進，攻擊廣州東南。

廣州的桂系坐困釜底，不得已遂於10月24日宣佈取銷軍政府，岑春煊、陸榮廷、林葆懌、溫宗堯等通電解除政務總裁職務。

桂系統治廣東的局面到此結束，附庸桂系的政客集團也同歸消滅。林葆懌本來是隨程璧光一同南下護法的，隨後受桂系的引誘，投奔桂系，現在桂系崩潰，林葆懌竟通電與北方海軍聯合。

25日粵軍第一軍攻克石龍，桂軍向增城、東莞退卻。

博羅、石龍相繼落入粵軍之手，廣州已無險可守，26日莫榮新率領殘軍於逃出廣州前，發出通電聲稱把廣東交還北京政府，同時取消西南自主，公然向北方投降。林葆懌、沈鴻英也潛逃無蹤。

27日粵軍進入廣州。

在東江的桂軍殘部由馬濟率領，繞道北江回桂，全粵遂次第光復。許崇智設軍部於廣州市內的潮州會館。

29日孫中山函勉蔣中正，有云：

“我所求者，惟期主義政策與我一致，即我所謂服從我卅年來共和主義，而豈若專制之君主，以言莫予違為得意耶？兄與英士共事最久，亦知我所以待英士矣。……執信忽然殂折，使我如失左右手，計吾黨中知兵事而且能肝膽照人者，今已不可多得，惟兄之勇敢誠篤，與執信比，而知兵則又過之。兄性剛而嫉俗過甚，故常齟齠難合，然為黨負重大之責任，則勉強犧牲所見，而降格以求，所以為黨，非為個人也。”

北方因岑陸等宣佈投降，遂頒南北統一之令，孫中山與唐紹儀、伍廷芳、唐繼堯正式宣言軍政府依然存在，西南護法，非為個人權利，北方如果有謀和誠意，唯有在和會中謀取解決途徑。

11月1日陳炯明抵廣州。

11月10日孫中山在上海的軍政府辦事處下令任命陳炯明為廣東省長，兼粵軍總司令，統一軍政，並取消督軍名義。這時候因為獨斷自專的桂系既已完全撤出廣東，孫所領導的軍政府本擬移駐雲南的計劃遂告打消，仍遷回廣州。

蔣中正這時在粵軍中，深感陳炯明處處有私心，因此於11月6日由香港搭輪去上海，行前留書給粵軍總司令陳炯明，指責他改變戰略。原來陳炯明包藏私心，置西江要地肇慶於不顧，反以中央軍派遣北江，名為掩護右翼軍回攻四會，事實上右翼軍既進至北江，攻克清遠，除直上韶關，肅清北江任務外，自不必折回四會，再完成西江任務之理。因此蔣認為陳炯明有私心，乃毅然求去。12日抵上海即晉謁孫中山，報告廣東情形，第二天再謁孫中山，這時孫得到粵軍第二軍軍長許崇智的來電，亦憤陳炯明所行所為，欲棄粵來滬。

但是，孫中山認為可以感化陳炯明，同時不應放棄以廣東為革命基地的打算。於是25日孫率伍廷芳、唐紹儀由上海動身赴廣東，國會議員已至上海的亦相繼動身去粵。

25日，粵軍攻克肇慶、梧州等地，肅清西江。陸榮廷最初揚言寧失廣西，斷不失廣東，可是現在桂軍形勢逼迫，唯有全部退出粵境。

桂系既已投靠北京政府，北京方面對陸榮廷不能不加以安置，於是特派陸榮廷督辦粵邊防務，並任命譚浩明為廣西督軍。

29日，孫中山和伍廷芳、唐紹儀抵廣州，通電重新召開軍政府政務會議。以廣州觀音山舊督署為軍政府