两湖地区是直系军阀吴佩孚的势力范围。根据国民政府的战略决策和部署，北伐首先要打倒的敌人就是吴佩孚，由国民革命军第四、第七和第八军担任两湖主战场的主攻任务。其中第四、第七两军为右路军，第八军为左路军，均以攻占长沙、武汉为战斗目标。
虽然革命政府直到7月9日才正式誓师北伐，但在此之前，即在6月5日国民党中央通过迅速出师北伐案之后，经革命政府同意，第四、第七两军除北伐先遣队外，参加北伐的主力部队已陆续开拔入湘，革命政府的北伐战略部署和部队集中计划的要旨，也已先知会第四、第七和第八军。所以，没等国民政府正式誓师北伐，第四、第七和第八军北伐部队已在湖南战场开始了北伐作战。
从1926年5月上旬起，国民革命军第八军和两广北伐先遣队一直与北军在涟水、渌水两岸对峙。其间，第七军北伐部队主力陆续进入湖南，向永丰集中，广东方面的第四军陈铭枢第10师和张发奎第12师也在向湖南开拔。6月中旬，吴佩孚探得两广不断派兵入湘的消息后，为了确保其两湖地盘，即命令“湘军总司令”叶开鑫统一指挥在湘的北军各部。6月18日，吴佩孚又任命李济臣为援湘军总司令，由宋大霈、王都庆、唐福山、董政国分率四路大军，支援叶开鑫，有分途向北伐军进犯之势。北军云集湖南，大战迫在眉睫。但是，吴佩孚的主力被冯玉祥的国民军牵制在南口一带，对南方只好暂时采取守势。而桂军第二路军指挥官胡宗铎率李明瑞旅和杨腾辉、陶钧团正陆续入湘，开往永丰集中。第四军陈铭枢、张发奎两师从海南岛北上，也于7月初到达湖南攸县、安仁一带。北伐军前敌总指挥唐生智决定变被动为主动，经请示广东方面同意，在国民政府正式誓师北伐前，率第四、七、八军部队提早向北军进攻，先发制人。
7月5日，唐生智分兵三路，向据守涟水、渌水北岸的北军突然发动攻击，以占领长沙为目标的两湖战场的第一期作战开始了。由第七军第2、第7、第8旅和第八军第1、4两师组成的左路军几经苦战，终于强渡涟水，于7月6日攻占北军重要据点娄底。随后第在湘潭打败叶开鑫军主力，并乘胜追击。11日，第八军第2师李品仙部进占长沙，第七军第8旅和第八军第4师、教导师也攻占宁乡，次日占领益阳、湘阴。作为总预备队的第七军第2、第7旅，配合主攻部队追击北军，连克湘潭、靖港等地。中路军由第八军何健师、刘兴师组成，也于7月9日突破敌军防线，占领潭市、湘乡。右路军由第四军担任，包括陈铭枢第十师、张发奎第十二师和叶挺独立团，于7月9日突破赣军唐福山、粤军谢文炳扼守的渌水防线，10日，攻占了湘东重镇醴陵。叶开鑫逃出长沙，窜到汨罗河北岸，固守待援。胡宗铎率部追过长沙，在汨罗河南岸布防待命。北军由于撤退迅速，主力损失不大，但是内部军心混乱，大有土崩瓦解之势。唐福山退往江西萍乡，贺耀祖退往湘西常德，也都无心恋战了。于是，北伐战争中两湖战场的第一期作战任务宣告完成。吴佩孚支持下的叶开鑫军的主力大败亏输，湖南的大部分地区已归国民政府所有，这就为尔后打倒吴佩孚、夺取两湖战场的全盘胜利奠定了基础，也为国民政府正式誓师北伐和其他北伐部队按计划集结创造了条件。
7月14日，唐生智率部进驻长沙。国民党湖南省党部及湖南各界人士举行了盛大的欢迎仪式。
7月17日，李宗仁率第七军后续部队夏威部进抵长沙，长沙城万人空巷，各界人士夹道欢迎北伐军的到来。唐生智发出定湘通电，长沙城里到处飘起了青天白日旗。不久，李宗仁夫人郭德洁率广西学生女子北伐工作队来到长沙，并立即展开慰问伤兵、访问民众等工作。簪缨巾帼，相映成辉，对民心士气都起了很大的鼓舞作用。
7月25日，湖南省政府成立，唐生智任主席兼军事厅长。他公开表示支持省内工会、农会的活动，并向****提出向第八军大量派遣政工干部。
入湘告捷的喜讯大大提高了国民政府和北伐军的声望。原先游移于南北之间的西南各派地方势力的政治态度迅速发生转变。6月底贵州的袁祖铭、王天培率先致电国民政府，正式表示愿意出兵湘鄂，效力党国，讨伐吴贼。于是，国民政府委任袁祖铭为左翼军总指挥，其部下彭汉章、王天培分别就任国民革命军第九、第十军军长。同时赣南的赣军第四师师长赖世璜也归附国民政府，所部被编为国民革命军独立第一师。湘军贺耀祖部被编为国民革命军独立第二师。远在四川的刘湘、刘文辉、赖心辉、刘成勋等也派人和国民政府联络，表示愿意参加国民革命，并纷纷通电讨伐吴佩孚。
8月12日，北伐军总司令蒋介石，在亲往衡阳迎接的李宗仁等人陪同下，偕同司令部主要成员，包括总政治部主任邓演达、行营参谋长白崇禧、军事总顾问加伦等一行抵达长沙。当晚即在长沙前藩台衙门召开了前方主要将领会议，讨论制订两湖战场第二期作战方略。经反复讨论，因此时本身总兵力不到20万人，而各地军阀总计兵力达百万以上，故只能采纳李宗仁等几个军长的意见，运用机动战术，出奇制胜，掌握有利时机，对敌各个击破。会议决定，第二期作战以进攻湖北、占领武汉为目标，先歼灭汨罗江北岸的敌军，占领岳州、羊楼洞、蒲圻等要地，然后迅速夺取武汉，消灭吴佩孚。得手后，再挥戈东南，进兵江西，扫荡孙传芳。
会间休息时，加伦曾与李宗仁闲谈。他因李氏力主攻打武汉，因问需要多长时间能打到武汉。李稍一计算后说，需要14天。加伦因此以两打白兰地为赌注，赌李宗仁从北伐军正式发动攻击起，20天内打不到武汉。谁知后来李宗仁竟以12天的功夫打到武汉。在武昌城下，李宗仁又碰见了加伦。李笑着对加伦说：“加伦将军，我们只用了12天便打到此地，你快拿酒来！”加伦也笑着指指武昌城墙说：“还有这个东西你没有打下啊！”大家握手大笑。
长沙军事会议期间，蒋介石还与李宗仁“互换兰谱，结为异姓兄弟”。当时蒋给李的帖子上写着四句誓词：“谊属同志，情比同胞，同心一德，生死系之。”李宗仁也依样画葫芦，照样手书一帖奉还。
8月14日，北伐军总司令蒋介石在长沙检阅了第七军、第八军，中途因为乘马受惊，蒋介石不慎落马，甚为狼狈。此时的第八军已迅速扩充至6个师，20余个团。而蒋的嫡系第一军第一第二两师作为总预备队尚未参战，所以蒋的疑忌之心渐起，蒋唐矛盾也是从这一刻开始的。
8月15日，作战部署正式颁布：以北伐军主力第四、七、八军为中央军，由唐生智指挥，沿武长铁路北进，担任主攻任务，先歼敌于黄盖湖以南地区，然后进攻并占领武汉。其中右纵队指挥官李宗仁指挥的第四、第七军为主攻部队，经浯口、平江以北地区，向蒲圻、羊楼洞攻击前进，截断敌人退路，与第八军围歼黄盖湖以南地区的敌人。下分两路：一路进攻浯口，强渡汨罗河，攻击平江以西之敌，进而北上，再攻武长线的蒲圻，而后沿铁路进攻武昌，此路由第七军担任，李宗仁亲自督率；一路由第四军副军长陈可钰指挥，进攻平江，直取通城、崇阳，出击粤汉路，向武昌推进。唐生智直接指挥的第八军为左纵队，经浯口、黄田以北地区，向云溪、岳州、临湘攻击前进。除中央军外，以朱培德指挥的第二、第三军、第五军四十六团及新归附的赖世璜独立第一师为右翼军，集结醴陵、攸县、茶陵一带，对江西方面的孙传芳军取守势；以新附义的贵州袁祖铭指挥的第九、第十军为左翼军，集中常德附近，攻占荆州、沙市，切断武汉、宜昌间敌人的联络，相机进占宜昌、襄阳；另以第一、第六两军为中央军的总预备队，分别随第八和第四军向前推进。一切准备就绪后，北伐军各部按既定布置进入攻击位置。
总攻开始后，由于孙传芳保持坐山观虎斗的态度，右翼军整个8月份都没有战斗。左翼军黔军袁祖铭等革命目的不纯，一直徘徊观望。只有编入彭汉章部的第九军第一师贺龙部积极作战，并于8月15日攻占临灃。因此事实上这一阶段的作战基本以中央军为主。
中央军当面之敌为叶开鑫、李倬章指挥下的湘军、护湘军，及吴佩孚派来的各路援军，号称10万人。北伐军迅速攻占长沙，使吴佩孚也很震惊，但是由于南口战事吃紧，无法抽调主力，他自己也分身乏术，勉强搜罗豫军、鄂军一部南下增援。北军以汨罗江为第一道防线，以羊楼司、五里牌、云溪为第二道防线，并以汨罗江北岸的平江城作为第一道防线的核心据点。
8月19日，北伐军第四、第七、第八军在汨罗江前线向湘北发起总攻。北伐二期战役打响了。
19日拂晓，第七军第一路在夏威指挥下由平江以西地区向驻守浯口一带的北军孙建业第二混成旅展开了凌厉攻势，当天即攻占了浯口，然后分兵自浯口、黄塘徒步涉水强渡汨罗江，猛攻江北岸猴形山和将军坪之敌，北军不支，纷纷向桃林方向溃退。胡宗铎指挥的第七军第二路，也于同日上午在滑石滩强行渡江，向将军山的北军进攻，刚好碰到北军1万余人的援兵，双方展开了一场恶战，到当日下午，第七军终于将北军击溃，占领张家碑。这样，在北伐军发起第二期作战的第一天，第七军便首先在汨罗江中段地区摧毁了吴佩孚精心部署的汨罗江防线，北军所构筑的强固工事及地雷、电网等设施，全成摆设。李宗仁鉴于北军主防线已被突破，北军已溃不成军，决心不使其得到喘息之机，19日晚上下达了追击令，命令第七军各部随向导出发，对敌衔尾穷追。20日，第七军第一、二路分别经张家碑、王师桥两处向北部山区追击北军。沿途崇山峻岭，所行都是羊肠小道，由于第七军官兵多来自广西多山地区，善于爬山，又得当地民众带路指点，尽管山路崎岖，仍进军神速，22日拂晓进抵岳州10里处。李宗仁指挥部队，乘敌不备发起猛攻。北军突见北伐军从天而降，慌不择路，向六溪、五里牌、羊楼司一带四散溃逃。23日，第七军一、二两路主力会师北港，次日进驻大沙坪。
平江方面，第四军第十师、第十二师及独立团共约一万余人也于19日拂晓发起攻击。当面之敌为北洋军第二十五师五十旅陆沄部和旧桂军韩彩凤部，共六个团万余人，战斗力很强。经过一日激战，始攻克城垣，陆沄兵败自尽。第四军乘胜向通城、蒲圻追击。22日，第十师攻占九岭高地和通城，切断了北军退往湖北的通道。但是由于各军无线电联络出故障，未能协同一致，致使大批北军溃兵从通城至羊楼司之间近百里的空隙中逃走。全歼敌人于黄盖湖以南的计划未能实现。
中央军左纵队的第八军，20日在汨罗江下游过江后，22日占领岳州城，25日与第七军一部会师蒲圻。至此，汨罗江战役结束。这一战，歼灭了叶开鑫部湘军主力及吴佩孚所派的“援湘军”的一部，北军全部被逐出了湖南。平江、岳阳、临湘各县人民群众，积极支援前线，参加作战，北伐军士气更加高涨。由于第四、第七军前进迅速，在蒲圻、汀泗桥一带切断了北军的退路，很多北军见无路可逃，自动地向从后面追来的第八军投降。落在后面的第八军反倒捡了一个大便宜，既未遭遇激烈的抵抗，又收缴了大量武器弹药，还得到大量兵员。
汨罗江战役后，北伐军主力以追击残敌的态势，在湖北南部地区沿武长铁路继续向北推进，到达武长路两大铁桥之一的汀泗桥。汀泗桥位于长江南岸湖沼地区，不适宜兵力运动。吴军重兵把守桥的两端及附近高地，地形对北伐军极为不利。
而此时吴佩孚已在北方结束击溃冯玉祥国民军的南口之役，亲率精锐部队刘玉春、张占鳌、靳云鹗等师兼程南下增援湘鄂。
第四军担负攻克汀泗桥的作战任务。8月25日，四军全军到达指定地点后，决定趁敌援军尚未集结之前，首先消灭汀泗桥之敌，并下达如下作战命令：右翼第十师抵达汀泗桥以东赤岗亭附近地区，对该地敌人取包围之势；左翼第十二师(缺三十六团)对汀泗桥西面及西北之敌采取战略包围；三十六团从石坑渡分左右两路进至分水嘴和阚家，在汀泗桥东南方协助第十师消灭该地之敌；独立团为预备队。
26日黎明，各部按作战计划，向汀泗桥进击。首先，左翼十二师第三十五团尖兵连在汀泗桥南端附近高地与敌相遇，发生短时激战后占领该地，跟踪追击至铁桥南首。不久，第三十五团主力、叶挺独立团和直属队赶到，随即进行侦察搜索，将部队埋伏铁道左侧，控制右翼高地，作好强夺汀泗桥的准备，随后三十五团向铁桥冲锋数次，均因铁桥北端之敌用机枪三挺同时扫射，火力极猛，加之桥上铁网重重，无法通过。这时，第十、十二两师和独立团一营分别从左右两翼向张央园、赤岗寺、古圹角、尖山寺一带高地之敌进攻，都因敌人所据地形险要，顽强抵抗，火力猛烈，数次进攻均无进展，革命军遭受一定损失。此时，吴佩孚南下援军将至，军情紧迫，经军部同意后，独立团(缺一营)在农民带领下向古圹角进发。与此同时，三十六团团长黄琪翔建议乘夜袭击，夺取敌军中央阵地，然后于拂晓全线总攻，里应外合，一举拿下汀泗桥。军部当即采纳黄的建议，由三十六团担任夺敌中心阵地的任务。26日晚八时，该团第一、二两营奉命夜袭敌营，被敌发觉，遭到密集火力扫射。官兵们在枪林弹雨中，隐蔽前进，不予还击。深夜，接近敌中心阵地，趁敌不意发起冲锋，突进敌阵后进行白刃战，歼敌甚多。四军夺得了敌中央阵地的许多制高点，敌增援部队几次反复争夺，均被击退。
为配合第四军进攻汀泗桥，8月26日，第七军由大沙坪前进，开往蒲圻，蒋介石于次日凌晨2时，从长沙出发，下午抵达蒲圻，亲自阵前督战，掩护与配合第四军作战。27日早晨，总攻开始，经过各路军协同作战，几个小时内将汀泗桥拿下，叶挺率独立团不顾疲劳穷追猛打，乘势占领咸宁。第四军在汀泗桥的胜利为北伐军胜利进军抢占了先机。
当吴佩孚亲率卫队团，军官团、宪兵队、学生队及十二、十三混成旅、二十五师一部等万余人乘火车，赶赴汀泗桥增援，到达贺胜桥时，汀泗桥、咸宁已被北伐军占领。这时，从汀泗桥败退下来的吴部溃兵亦有一万余众，他们遂决心在“鄂南第二门户”贺胜桥再度与北伐军较量。贺胜桥是鄂南通向武昌的重要门户，地势险要，易守难攻。吴佩孚自信，用自己所带南下精锐，加上从汀泗桥败退下来的宋大霈、董政国等部，号称十万之众，加上装甲车、山炮、野战炮数十门，重机枪200多挺，军事部署万无一失。他向部下吹嘘说：昔以汀泗桥一战而定鄂，今以贺胜桥一战而定天下。吴军将大部兵力集结于贺胜桥附近，主要阵地设于桥前高地杨林垱、王本立一线，准备固守，以挽回败局。此时，北伐军经过两场恶战，弹药相当缺乏，每人至多有子弹150发，后方的补给机构也无法筹集。白崇禧正在前线指挥，将领们纷纷打电话向他请援。白崇禧答复说：“缺乏子弹只有刺刀赶快冲锋，革命军之补给靠前方，不能靠后方。打败敌人，敌人之装备，便是我们之补给。何况打下武汉，汉阳之兵工厂取之不尽，用之不竭。”
为了攻下贺胜桥，北伐军中路军第四、七、八军前方高级指挥官齐集咸宁，共商进攻贺胜桥的计划，蒋介石、白崇禧直接主持讨论。会议决定：攻打贺胜桥的战役由李宗仁任总指挥，指挥第四、七两军为攻桥主力，其中第四军攻杨林垱，直逼贺胜桥正面，第七军攻王本立，压向贺胜桥东北地区，第八军及第一军第一师为总预备队，并调第八军的何键、夏斗寅部从嘉鱼渡江，绕道向汉口、汉阳进攻，以拊吴军之背。
8月29日，李宗仁令第四军仍沿铁路前进，进逼贺胜桥正面，第七军则出咸宁东北，自王本立攻击贺胜桥以东地区。此时，吴部大军已在贺胜桥严阵以待，双方主力云集，不惜倾全力作决定胜负的一搏。29日下午，北伐军主力迫近贺胜桥。
根据咸宁会议确定的作战计划，第四军以独立团和第十二师为攻击队，第十师为预备队，集中全军炮兵，由军参谋长邓演达统一指挥。8月29日傍晚，攻击队由咸宁向横沟桥前进。晚7时到达官埠桥附近时，遭敌警戒部队猛烈火力射击，前进不易。午夜，张发奎、叶挺、缪培南等分析敌情，认为敌我距离太近，相峙过久，于战不利，敌彻夜放枪，表明他们紧张恐慌，若集中兵力，破其一点，而后实施总攻击。于是，30日拂晓，独立团和十二师等向铁路沿线左右两侧之敌进击。经过激战，逐个占领了黄石桥、大路寥、北路学校一带敌军据点，为攻击敌第一道防线创造了条件。
8月29日下午，第七军第第八旅在袁家铺与敌激战时采用前后夹击战术，迫其退却，八旅尾追至王本立阵地前方高地，并向敌阵进攻。第四、七两军攻击部队占领黄石桥等据点后，8月30日晨，即向吴军第一道防线的主要阵地进攻，吴军精锐多集结于此地。这时，敌亦以优势兵力、密集炮火向第四、七军阵地之结合部反扑。第四军第十二师、叶挺独立团、第七军第二旅协同猛攻，直捣敌阵。四、七两军从左右两侧夹击敌军，经过白刃肉搏，杀退反扑之敌，将铁路沿线敌军阵地突破。吴佩孚见势不妙，急令部将卫队临阵督战。敌集聚愈多，攻势越猛，四、七军阵地几次出现险情。北伐军临危不惧，前仆后继。武长铁路工人组织的交通破坏队，冒着敌人炮火，拆铁轨，使敌人军车、铁甲车无法开动，有效地配合了北伐军的进攻。在北伐军的强攻下，敌阵渐乱，纷纷溃退，第一道防线被攻破。吴军退守第二道防线后，利用杨林以北的丛林和黄塘湖、白泥湖的湖水，倾其全部兵力死守，扼守粤汉铁路天险贺胜桥。
北伐军攻破敌军第一道阵地后，上午九时，各路军队向第二道防线之敌进攻。吴佩孚率督战队、大刀队、机枪手列于贺胜桥上，严令官兵不准退却，但溃兵四散，吴见状怒不可遏，令机枪手“向退却者扫射，积尸累累，血流成河。”敌军遭到督战队的射杀，弃枪而逃，跳水逃跑者数以千计。吴羞愤至极，手刃旅团长10余人悬其头于电线柱上示众，以惩戒后退之官兵。他还令陈嘉谟、刘玉春率大刀队分八路赴前线督视各部队作战。溃兵后退无路，纷纷向督战队开火。于是，敌军内部，互相厮杀，乱作一团。第四军各部乘机夺取贺胜桥。吴见兵败如山倒，仓皇驱车逃跑。车过处，败兵攀援欲上，卫士呵禁弗能止，急挥刀砍其臂，人纷纷随臂而坠，宛转呼号，惨不忍闻。溃退残兵，有的被北伐军包围缴械，有的被大刀砍死，许多士兵落水丧命，或被火车压死。30日上午10时许，北伐军第四军占领贺胜桥。
在第四军向贺胜桥胜利进击的同时，8月30日晨6时，第七军第一路按照既定作战方针，出征进发。配合第四军攻击贺胜桥敌之侧背。8月31日晨，北伐军对贺胜桥溃败之敌展开全面追击。第四军十二师和独立团伤亡过重，暂留贺胜桥休整补充，第十师沿铁路向前追击。当晚，前锋第十师第十九团追至武昌城外洪山，主力进抵李家桥。第七军第一路至31日下午攻克金牛镇；第二路沿武长路以东前进，傍晚占领岳公山、和尚桥、保福祠等地。第一军第二师进至五里界、文家。在北伐军追击下，敌军一部渡江，一部进入了武昌城内。至此，贺胜桥战役结束。此次战斗，北军伤亡、逃散、被俘人数在两万以上。
武汉是华中地区的政治经济中心，素有九省通衢之称，是重要的军事要地。吴佩孚退到汉口后，设司令部于查家墩，企图凭借山川湖沼之险，固守武汉三镇。
此时，吴佩孚的部队尚有：武昌城内刘玉春的第八师，吴俊卿的第三师和鄂军第二师的一个营，第廿五师的一个团，第一旅的一部分，合计万余人；守备汉阳、汉口的是高汝桐的第十四师，在武汉上游屯口和金口一带则有叶开鑫的湘军残部及娄云鹤旅的一部，又在武汉下游阳逻，黄州一带则为马济的武卫军及任应歧的豫军第十师。襄河方面自蔡甸至沙洋一带有刘佐龙的鄂军第二师和阎日仁的豫军第二师。此外尚有王献臣的河南游击队，张占鳌的十三混成旅均集结于汉口附近，自北方调来的毅军约四个旅，集中于广水、花园一带积极备战。总人数看起来也不少，但军无斗志，而且有人同时在与北伐军暗通款曲。
8月31日，吴佩孚在查家墩召开紧急军事会议。在会上，他声泪俱下，拔刀砍案，恳请与会将领，“同心同德，以身许国。誓与****党不共戴天，决一死战。坚守武昌、汉阳两城一月，必有外援，赤党内部必有变化。”会议决定：放弃保定，急调田维勤、王为蔚、魏益三各部南下武汉，起用靳云鹗为“讨贼”联军副总司令，提升刘佐龙为湖北省省长，电请张作霖派兵南下增援，邀孙传芳出兵湘鄂，请陈炯明扰乱广东。对武汉的军事部署，吴佩孚也是精心安排，详备部署做好各方面的攻击准备，以期全面进攻，打退北伐军。
蒋介石则争取趁吴部署未妥之前，先下手为强，给他来个措手不及。9月1日，蒋介石特命李宗仁为武昌攻城总指挥、第四军副军长陈可钰为副总指挥。2日，由蒲圻乘火车到张坊市。电令程潜第六军加入右翼作战，归朱培德指挥。9月3日，蒋介石偕白崇禧、加仑等人到洪山山麓视察。蒋介石自恃有东征时惠州攻城的经验，决定第二天拂晓，由第一军第二师“带头冲锋”，各军“跟着冲上去”。
第一军第二师是蒋介石的嫡系，出师以后一直作为预备队。蒋介石此举，意在让自己的嫡系取得头功。当日，召集各将领紧急会议。唐生智对蒋嫡系第一军第二师的战斗力没有信心，极度轻蔑，坚决要求蒋介石将该师调离前线，蒋介石认为唐“以下凌上”，是一种不能忍受的“奇辱”。他训斥第二师师长刘峙说：“如不争气，不能见人!但使光荣得以维持，虽积尸叠城，亦所不恤!”
9月3日凌晨3时，北伐军开始进攻武昌。很快，第一军第二师占领了紫金山至忠孝门防地的一角。其第六团官兵进抵城脚，开始攀梯爬城，不料被敌军发现。敌居高临下，用机枪扫射，加之云梯过短，攻城战士死伤无数。第四军第十师攻城部队，突至宾阳门城门口，因携带爆炸火药和器材过少，炸不开城门，攻城亦未成功，伤亡颇大。第七军第二路攻城军清晨向望山门、中和门、保安门进攻时，遭敌炮火、机枪猛烈射击，无法接近城垣。各路城军，战斗到7时，仍无进展，伤亡惨重，蒋不得不鸣金收兵。
第一次攻城受挫，除了准备不周、指挥不善以外，还有一个重要原因，乃唐生智贻误了战机。本来，第四军已于8月31日兵临武昌城下，本可趁吴军正处攻守无备，乱作一团之际一鼓作气拿下武昌，但唐生智为了同蒋介石争夺武汉地盘，不愿第四军首先占有武昌，命令其就地休息。吴军获得喘息时间，日夜抢修城防工事，并在楚望台、蛇山、龟山修筑炮兵阵地。9月1日上午靳云鹗又率援军赶到汉口。由于敌军做了充分的防守准备，因而，在9月3日北伐军进攻武昌时，不但城不能破，反招致很大伤亡。蒋对此极为不满，但因情况非常，只得强压怒火。
9月4日，蒋介石、加伦、白崇禧、唐生智等，在湖南召开前线各前高级将领参加的军事会议，确定第二次攻克武昌的计划。会上，加伦详细分析了攻打武昌失败的原因：“攻城在技术上没有准备好，拂晓后才开始，在指挥员之间战役的每个阶段完成得有迟有早，增派预备队互不配合，没有炮兵火力。”但这没有引起蒋介石的重视。蒋既不认真分析敌情，总结教训，也不听取苏俄顾问及各级将领对攻城的意见，却专横独断，贸然下令：“武昌限于48小时内攻下”。他还对唐生智说：“这还不好攻!我们攻惠州时，就是冲上去的。”“我是有经验的”。弄得大家家面面相觑。不知蒋之讲话中，几分是真，几分是假。
9月5日凌晨，蒋介石颁发第二次攻城计划，指示各将领“肉搏猛冲”。9月5目凌晨3时，第二次武昌攻城战开始。李宗仁任攻城司令，陈可钰为副司令。任务分配是：一军第二师攻忠孝门至武胜门，四军第十师攻宾阳门至忠孝门，四军第十师和叶挺独立团攻通湘门至宾阳门，七军第二路攻中和门、保安门、望山门至江边。由各师挑选奋勇队员300名至500名，军官12至15人，编成3队，每队编若干班，由营长任奋勇队长。首先是炮兵向各城门及炮兵阵地轰击，随后各奋勇队强攻登城。这次攻城作战，由于敌军防范甚严，北伐军的攻坚重武器不强，冒险强攻，遭致整排整连的牺牲。
第二次武昌攻城战的失败，毫无疑问，主要原因在蒋介石，是他依“经验主义”一味孤行蛮干所造成的。他之所以如此着急，是有他的打算的。蒋介石预计，武汉之险在汉阳龟山，该地又有兵工厂，吴必以重兵扼守，定不易攻下。至于武昌，则地势卑下，攻取甚易。故以八军攻取汉阳，而以四、七军攻取武昌。如果汉阳先攻下，而兵工厂亦必为刘佐龙所有，蒋可以利用刘与唐对抗。蒋如果先得武昌后，即可以发号施令，组织湖北省政府。怎奈战事之发展竟出于蒋所预期。此外，第一军第二师师长刘峙谎报军情也是重要原因。刘是蒋介石的嫡系，贺胜桥战役后，蒋介石以为吴佩孚主力已失，武昌唾手可得，故把刘峙拨归第四军陈可钰指挥，打算在占领武昌后，让刘峙出任武汉卫戍司令，以便控制武昌，作为日后实现其政治野心的基地。因此，当独立团奋勇队冲到城脚，挂梯攀登时，刘峙以为叶挺独立团攻进了武昌，急忙捏造战报，称“他们(指刘峙)的部队在鸡叫前已进城了”，弄虚作假，抢夺攻克武昌的头功。右翼攻城军指挥陈可钰接到刘峙的报告，信以为真，立刻电告叶挺：据第二师报告，他们的部队已进城了，命令叶挺赶快进城。叶即率二、三两营及特别大队向宾阳门攻击前进。沿途遇到敌军的阻击，部队伤亡甚重。当攻到城墙附近时，得悉守城士兵不是刘峙的部队，仍是北洋军。叶挺还在愕然之际，又接第一营营长曹渊送来的报告，称“职全营现已牺牲殆尽，仅存十余人。但革命军有进无退，如何处置，请指示”。(曹渊在写完这个报告时，头部中弹，光荣殉职。)叶挺据此判断，第二师攻进武昌是假的，即将情况呈报军部，陈可钰只得令独立团撤回。叶挺至军部查明了刘峙谎报的真相，当即提出：“从广东出发到现在，他们(指刘峙)没有看见过敌人”。“他们这一行为，不仅有假造军情之罪，而且有陷害同志之咎，必须从严处罚。”
9月5日，蒋介石与加伦、李宗仁、陈可钰等，到南湖至洪山一带前线视察，加伦力主暂时停止进攻，蒋也感到硬攻无望，遂下令暂时停止攻城。至此，第二次攻城结束。6日下午，蒋介石等在洪山召开军事会议，决定对武昌采取封锁包围之策，由第四军和第八军一部进行围困，任总政治部主任邓演达为武昌攻城司令，李宗仁率七军主力挺进鄂东。四、八两军攻城部队，撤至安全地区集结休整，以适当兵力于前线监视警戒，防止敌军的突围和反攻。
在武昌开始攻城的同时，蒋介石还命令北伐军发动了攻取汉阳、汉口的作战。担任进攻汉阳、江口的北伐军为唐生智第八军的三个师和夏斗寅的鄂军第一师。北伐军在进攻阳、夏前，接受了加伦的建议，派夏斗寅一师先从嘉鱼渡江。9月1日，占领了新滩口、侏儒山，向蔡甸挺进。
9月3日，八军第一师间道抄至汉阳附近，与刘佐龙师防地相连。刘佐龙跟革命势力一向有联系，随着形势的变化，在中国共产党和国民党左派力量的积极争取下，刘佐龙也已觉察到吴佩孚对其的不信任，遂投诚起义，协助北伐。汉阳克复后，前敌总指挥唐生智，命刘佐龙师一部防守汉阳和龟山。一部协同八军第一师主力，于6日晚，强渡汉水，进取汉口。7日晨，革命军占领汉口。北伐军9月6日克汉阳，7日占汉口，之后势如破竹，连克横店、孝感、广水、东篁店、九里关、武胜关、平清关。旬日之内，将敌驱赶至武胜关外。吴佩孚仓皇退至河南信阳。至此，吴佩孚的精锐损失的殆尽，再也无力恢复元气了。
北伐军克复汉阳、江口，直接威胁北洋军阀在长江中下游的统治。9月7日，孙传芳以五省联军总司令名义，通电蒋介石：“粤军限于24小时内，全数退回粤境，不得借词逗留。”并大量调兵入赣，取道铜鼓、萍乡，企图进袭平江、通山，断北伐军后路；令其两部集结鄂赣边界武穴，乘军舰沿江西上，拟在富池口、黄石港等处登陆，增援武昌。但北伐军连克赣西的重镇萍乡、修水、铜鼓，孙军节节败北。孙传芳解围武昌之图，遂成泡影。
在中央军主力猛烈进攻武汉的时候，北伐军左翼军第九军第一师贺龙部于9月初在湘西慈利、灃县一带击溃湘军叶开鑫、刘鉶的残部。9月13日，贺龙、杨其昌、吕超各师在灃县誓师，向鄂西的石首、公安推进。14日，贺龙击败鄂军王都庆部，占领公安。下旬，贺龙联合杨其昌部击溃长江上游总司令卢金山所部二十六师于学忠，及王都庆的反攻，占领沙市，卢金山退往宜昌。左翼军攻占沙市，掩护了围攻武昌部队的左侧翼。
武昌形成孤城之后，粮弹来源断绝，给养奇缺。守城敌将陈喜谟、刘玉春派武昌总商会会长丁舜臣等，向北伐军请求停止攻城，双方议和，并提出如下要求：“(一)给饷20万元；(二)保全各将领之生命财产；(三)准其携带武器整队而退。”蒋介石坚持其无条件投降，拒绝了这些要求。随后，蒋介石将围攻武昌城的任务交给了第四军承担，副军长陈可钰任攻城司令。鉴于前两次攻城受挫，蒋介石决定对武昌实行长期封锁。9月14日，下达严密封锁令。9月18日，蒋介石到达长沙，致电广州张静江等报告离鄂入赣后的安排，另立湖北临时政务会议，蒋介石任主席，入赣后由唐生智代理。同时向城内守军发出最后通牒，令其24小时内投降。21日拂晓，北伐军按预定计划，又一次开始攻城。3次攻城不克，付出了极大牺牲。随后不得不发动工人、学生挖地道，出奇兵。固守在武昌城的敌军几次企图突围，也都因北伐军防备甚严，未果。久困孤城之敌，伤亡惨重，民声沸腾，重要将领发生动摇。
10月6、7两日，武昌守军几次派员和北伐军谈判开城投降事宜。但刘玉春非常顽固，拒不投降。无奈之下，守军河南第三师师长吴俊卿单独与北伐军接洽，于10日凌晨4时打开保安门。唐生智、陈可钰指挥第四、第八军各部同时向武昌城发起总攻。随即中和门、通湘门相继打开，北伐军潮水般涌入城内。守军几乎没有了战斗力，纷纷投降。只有刘玉春率第八师残部于蛇山负隅顽抗。叶挺率独立团用了一个小时，攻占蛇山，生俘刘玉春。至此，围攻40天之久后，武昌城终于被攻克。
从北伐出师到攻克武昌，第四军一直担负最艰巨的任务，官兵作战英勇，被誉为“铁军”。其独立团和第三十六团战功卓著，团长叶挺、黄琪翔被授予少将军衔。