1926年9月下旬，冯玉祥任命孙良诚为援陕总指挥，方振武为援陕副总指挥兼第一路总司令，弓富魁为第二路司令，准备出兵援陕。国民军联军整理就绪后，又加任孙良诚为第三路司令，马洪逵为第四路司令，石友三为第五路司令，韩复榘为第六路司令，陈希圣、刘汝明、孙连仲、韩占元、韩德元、郑大章及张万庆等部共为第七路，厉兵秣马。不久，冯玉祥就命令驻陇东的孙良诚军即由邠州大道，向陕西西安进击。另外，他还命令甘肃张维玺师进取陇县等地，以掩护大军之右翼。10月8日，方振武部由五原出发，经固原、平凉、乾州向陕西进发。与此同时，孙连仲、马洪逵也同时率部分别由宁夏，固原向西安进军。此时，奉张见国民军再起，又向阎锡山施加压力，令他全力进攻国民军，并向其提出三项条件：1，能否将绥、包一带之国民军驱除净尽；2、能否向甘、陕进击国民军；3、如果一、二两项办不到，则请以京绥全线让之奉方，奉方将单独进攻。阎锡山电复奉方称：一、二两项均办不到，请雨帅自由施行。晋愿将京绥全线交给奉方。冯玉祥在绥远大张旗鼓地宣传国民革命并运动商震，使阎锡山十分恐惧，又想借奉系势力压迫国民军早日离开绥远。此时，他又首鼠两端，一方面向国民党驻京代表表示“与之同行，早具决心”；但同时又接济吴佩孚元30万元及50万发子弹，对奉张又一再信誓旦旦保证“决定扫除****，方节节进行，无疑意……”。实际上，他又在仔细毫拨拉政治算盘，并在绥远仅留商震所部两个旅，让其余全数退入晋境。商震要求阎锡山给他增加兵力，但阎锡山则顾虑陕、豫方面，将自己的军事主力集中于晋南。冯玉祥也深知阎锡山的态度，故抓紧时间旌麾西指。
他先任命郑金声为东路总指挥，督石友三、陈希圣骑兵第三、四师等部在包头、五原一线防御，掩护大部西退。11月下旬，冯玉祥又命令韩复榘、韩占元、韩德元、赵守珏部移驻宁夏，由陈希圣、弓富魁、徐永昌分别在上、中、下三路掩护。11月底，奉军占领平地泉，与晋阎的矛盾日显。所以，奉系一时也不敢再派兵向绥远西部进击。
国民军各部经宁夏、陕北，向关中进发，沿途均为贫瘠之地，补给困难，又时值初冬，风雪交加，骡马冻死者累累，行军异常艰苦。但是，官兵仍得保持较高的士气，鼓勇前进。
1926年10月上旬，孙良诚部抵达陕西兴平，于右任率史可轩部由榆林南下，也向三原挺进。刘镇华为集中兵力，于10月12日撤去围困三原的军队，该城遂解围。10月20日，于右任、史可轩率部进驻三原，并建立了以于为首的国民军二、三联军临时总司令部。10月中旬，孙良诚部进至咸阳外围，立即与镇嵩军在侯寨与三桥之间展开激战，但因兵力不足，与敌相持月余而没有进展。
此时，吴佩孚令其总游击队张玉山部开赴灵宝、陕县，援助刘镇华继续围西安。阎锡山也动员了两个师由潼关渡河做出援刘姿态。
冯玉祥在五原接到报告后，命方振武、马洪逵部立即增援，并派刘汝明、孙连仲部兼程驰援。11月中旬，方振武、马洪逵等部与孙良诚部会师，国民军联军随即向镇嵩军发动攻击。
11月15日，吴佩孚致电刘镇华给其打气，并要他坚守潼关；同时吴佩孚还致电阎锡山，要他出兵支援刘镇华，但是，阎锡山没有敢采取实质性的军事行动。11月17日，刘汝明也率部赶到，并立即投入了战斗。同日，冯玉祥致电孙良诚，悬赏10万元，以解西安之围。21日，他又致电前方各军，强调援陕的重大意义。11月23日国民军联军进攻兴平、礼泉，并于是日攻占了咸阳。
此时，国民军联军从三路向敌发起攻击。方振武部为左路，向径县东南进展，攻占安城，攻长安城北之敌。孙良诚为中路，由咸阳进攻长安。镇嵩军也集中优势兵力，猛攻国民军联军，作最后一博，一度使国民军中路发生危机。此刻，刘汝明、孙连仲两部援军赶到，分别由左翼向敌人背后十里铺方面及右翼兰田、临潼方面迂回发起攻击，迅速扭转了战局。11月26日拂晓，国民军联军全线展开总攻击，与镇嵩军激战一昼夜。西安城内守军也出城配合作战。刘镇华见其后路被抄袭，全线动摇，分向潼关、大荔、武关一带溃退。西安城内杨虎城、李云龙等部也奋力反攻。27日中午12时，方振武部首先进入城内，被围困七个月之久的西安城解围。西安解围后，国民军乘胜追击，12月8日，刘汝明部追出潼关，一直进抵河南阌乡（今灵宝一带）。
国民军援陕战役的巨大胜利，是它南口溃败后再起的第一次作战。此后，冯玉祥及所部再一次对全国的军事政治局势的发展起了举足轻重的影响。国民军继甘肃之后，又获得了陕西这一重要省份，使之有了一个进可攻、退可守的稳固地盘。这对冯玉祥军事集团日后的发展有重要意义。
国民军援陕战略成功顺利的实施，为图豫奠定了基础，从而从侧翼直接配合了北伐战场。吴佩孚败退到河南之后，曾一度对刘镇华抱以希望。但是，他在此后便面临绝境，其部下也开始分崩离析。尤为重要的是，国民军从西北的复出，使奉系军阀的军事战略不得不仍放在北方，不敢倾全力南顾。当时，中国共产党就认为：“冯玉祥西北之再起，可以随时威胁奉军不敢疏南口之防，不敢存长驱南下而无顾忌的野心”。“他（指奉系张作霖）看得国民军在西北之发展较之北伐之前进尤为重要”。
另一方面国民军的复起与壮大，使阎锡山在对中国南北大势态度上发生变化。11月，广东国民政府代表胡宾到太原，要阎锡山派代表去武汉参加商讨北伐事宜。阎锡山表示，已与李大钊等多次联系，将组织北方国民革命军，合作抗奉。11月21日，国民军在陕西的胜利已基本成定局之时，商震就任了国民军联军副总司令，加入国民革命军。12月1日，阎锡山的重要谋士赵戴文在南昌会见蒋介石，还在赵邨建立了国民军、晋军联合办事处，进一步改善了双方的关系，而对奉系则虚以委蛇的。这对当时的北方局势有一定的影响。
刘镇华镇嵩军对西安的围攻，给人民带来了巨大灾难，城内冻饿而死的军民达数万人。杨虎城也认为自己是“功满三秦，怨满三秦”。冯玉祥虽然在致陕军将领书中痛斥刘镇华镇嵩军的罪恶，但不久又将其收编。对此，他的解释是“为了免得其再和张作霖勾结”。敌我双方如此轻易地转化，是第一次国内革命战争时期所常见的，这在某种意义上是对在西安保卫战中死亡军民的亵渎。
1926年11月24日，冯玉祥与韩复榘、冯治安诸部离开五原。28日，他到达宁夏后，接刘郁芬电，得知国民军占领西安。12月，他自宁夏进驻平凉并令冯治安、韩德元两个师，日夜兼程开赴西安。此时，西安饿殍遍地，军政混乱，社会秩序亟待恢复。此时，杨虎城秘密离开西安他往，陕西急需建立有效的行政管理机构。在中国共产党的帮助下，于右任绕道泾阳、咸阳到达西安，开始筹办国民军联军驻陕司令部。12月22日，根据“陕西临时省党部之决议，各县人民大会之请求及西北政治代表冯同志（指冯玉祥）之电嘱”，于右任、邓宝珊于12月22日正式就任国民军联军驻陕总司令部正、副总司令职，并就职视事。总司令部下设政治部、政治保卫部及民政、教育、司法、建设等厅，许多共产党人出任重要职务，使之实际上成为了国共合作旗帜下的革命政权，行使全省行政管理的职责。12月26日，于右任给匿居在三原等地的杨虎城写一信，极诚恳地劝他速回西安。杨虎城因战乱内心极度痛苦，对此没有回应。
1927年1月15日，冯玉祥派姚维藩持亲笔函赴渭北促杨虎城回西安，他在信中肯定杨守西安的功业，并邀请其担任国民军联军第十路军总司令。2月4日，于右任又给杨虎城写信促驾。此后，冯玉祥、于右任又派张之江、史可轩等去三原催促。杨虎城于1927年2月9日回到西安，就任了国民军联军第十路总司令职。
陕西即下，国民军得到进一步扩充，但是实力的增强，也预示着矛盾的增多和暴露。
国民军各部之间的矛盾由来已久。国民军诸部从南口败退后，一、二、三军诸部之间的矛盾便日益发展。这其中有国民军一军及其他诸军出于私利，使相互间产生了某些摩擦的原因，也有一定的政治上产生分歧的因素。随国民军一军撤退到南口一线的国民军其他诸部，均能与一军相互配合，联合抵抗敌人的进攻。但是，国民军一军开始撤退后，因出于对他部的猜疑，没有及时通知友军。据徐永昌回忆，国民军撤退的当天，察哈尔帮办张树声约他于西河营至代王城间的某村谈话，相晤后纵谈前后方事约两三个小时，均已无话可说。二人分手时，张树声才对徐永昌说多伦失守，战事已无可挽回，第一军已下令今晚十二时起开始由前方撤退。徐问张何以见面时不说？张说：我奉命而来，怕你听着，一下即撤。徐永昌认为，一军的做法无疑是不信任三军有与友军并肩作战的道德，怕三军先撤。他与张树声已相识十多年，是交情颇深的朋友，此做法实出徐的意外，故“愤然出而上马”。此时，三军已来不及部署撤退，以致左翼张金梁旅部及其延毓琪团及吴金榜骑兵团，均被直军截断退路而遭缴械。徐永昌三军大部退到阳原时，知其退路上丰镇已被晋军入据，被迫退却阳高，而此地也为晋军占领。三军不得不一面假攻阳高，一面退走镇川口；退至平地泉时，国民军一军已撤退了十分之九，以致于三军在退往资卓山途中，连饮水都发生了困难。大军败退绥远，军饷给养均无法保证。诸军先行者无疑会在给养上多些保障。所以，国民军一军抢先撤退，引起其他诸军的强烈不满。
国民军在撤退的过程中，军纪难以保证。国民军二军弓富魁部本来就缺乏训练，此时已不成行列，十之八九都骑马骡，还有骑驴者。随方振武五军撤退的国民军三军刘廷森也是官兵不分，简直就似一群逃窜的土匪。国民军一军自己虽然也大都溃不成军，但对上述诸军却多抱歧视乃至敌对态度，并最终导致火并。
国民军诸军尽管在溃败中出现了种种问题，但仍坚持联合，没有产生另谋他途的念头。国民军一军韩复榘、石友三等部向阎锡山投降时，曾劝徐永昌一起附晋。徐永昌本是山西人，在太原有很多人际关系，但仍不为所动，坚决率部与一军退到五原。但是，他在五原誓师后不久，就投靠了山西。这是耐人寻味的。
国民军三军领导人孙岳及徐永昌在政治上比较保守，均有较强烈的反共意识。他们虽然参加了五原誓师，但反对冯玉祥进一步联苏的政策。徐永昌认为苏联支持孙中山就未怀好意，其不将中东铁路交还给中国就是明证。对此，冯玉祥则认为徐永昌不明白世界大势。此时，冯玉祥在思想言论上一度表现得很激进，孙岳及徐永昌对此都很反感。徐永昌认为冯玉祥历来是“论变不论常”，显得“多少有点时髦浅薄”。因此，他们与冯玉祥在政治上的分歧日益加深，已产生与国民军一军分道扬镳的意图。孙岳曾对徐永昌说：“以后我们的行动要与国民军一军分开，他们的思想很有问题。
五原誓师后，国民军诸军开始进行整顿。冯玉祥曾与孙岳一起总结此次失败的原因。孙岳评论国民军各军的问题时说：一军自私。冯玉祥认为“颇有见地”。但是，此后，冯玉祥及国民军其他领导人在处理与友军关系上，仍然表现出严重的自私行为。
国民军联军决定援陕之后，冯玉祥先命令国民军二军（此时已称国民军六军）弓富魁部及国民军五军方振武部首先离开五原驰援西安。弓富魁部残破不堪，没有什么战斗力。方振武部随一军转战已半年有余，虽屡负重任，却仍能保持完整建制，但也急需休整。冯玉祥尽先派非嫡系先行，不免有排除异己之嫌。对此，弓富魁、方振武肯定会有想法。冯玉祥在《我的生活》中说：“增调援军中，又有某部，走到长武、邠州一带，也是迟迟观望，不肯前进。究其所以如此，也有相当苦衷。因为他的部队在南口作战，牺牲太大，枪械弹药，一直没有补充齐全，此时加入前线作战，犹疑顾虑，自所不免。”其所指就是方部。方振武在援陕的过程中，持迟疑观望态度，有物质条件的原因，但更主要的是，对首派自己先行是有情绪的。在此，冯玉祥还承认一定的客观困难。但是，他接着又说：“……当前线如此紧急时候，他却不顾大局，只管自己打算，未免有些说不过去。在这一点上，后来别人对他还都能原谅，惟有身当其冲的孙良诚，却因此十分恼恨，无论朋友怎样为他解释，孙良诚总是瞧他不起”。这就有些不近人情了。孙良诚是从甘肃援陕，比方振武从五原赶来要容易得多，且方振武部是更加疲惫之师，兵力也不足，故困难重重。冯玉祥不谈首派方振武部打先锋的原因，不提自己对嫡庶之间态度有无差异，一味非难方振武部，就是文过饰非了。西安解围后，方振武开赴渭河以南，追击逃跑敌军，但被孙良诚部拦截。因此，方振武对国民军一军戒心日重，不满日增。
1926年11月下旬，国民军联军大部取道宁夏向甘肃进发。国民军三军随一军出包头不到半日，孙岳就下令自行南奔，过黄河经东胜到府谷、神木，从而脱离了联军的序列。面对国民军三军主力的独自行动，国民军一军领导人不仅没有尽力对其做工作，尽量消除误会及成见，以求能团结一致，反而进一步采取了更加错误的举措。本来，国民军三军续范亭比较接近冯玉祥，不愿意离开国民军一军，故仍率部与一军一起向宁夏进军。胡德辅、吴勉之两旅也一直与续范亭旅行进。上述诸部走到石咀山，却被国民军一军石友三部包围缴械了，与其一起遭此命运的还有原国民军二军（时称国民军六军）弓富魁部。其中，弓富魁部王凤飞旅不足两千人突围而出，奔赴神木依附国民军三军徐永昌。国民军解决上述诸部的理由是因其军纪不好。这是站不住脚的。国民军一军在南口溃败后，军纪也严重败坏，石友三、佟麟阁等部都有伤害群众事件发生。所以，此理由不能成立。续范亭旅是国民军三军中的最有功劳，极有纪律的一部，更不能以此来辩解。事后，冯玉祥曾向续范亭辩解，但最终也没有将人枪发还。李泰棻在《国民军史稿》中说，弓富魁部缘“细故与石友三部略有冲突。弓自念为革命转战二十年，备尝艰苦，遂拟略事休息，乃将所部交冯”，更是谎言。石友三个人绝对不敢对二、三军下此毒手。弓富魁更不是自愿将部队交出。此后，他每谈及此事，就拍桌大呼呵！不久就去世。
国民军一军以武力解决友军诸部，绝对是出自于冯玉祥的命令。
国民军成立后，冯玉祥对国民军二军、三军的政策除出自总体战略的考虑外，还在一定程度上包括对胡景翼、孙岳个人的感情因素，多有关照。是时，国民军诸军各领一方，自行其事，较少有直接的矛盾产生。五原誓师后各军杂处一方，军饷极为困难，诸部军纪松弛，是非日益增多。此时，冯玉祥对国民军二军的成见已经很深，曾对****北方区委员陈乔年说：“问题不在现在解西安之围，而在解西安之围后。我深知二军性质，今日解了他的围，明日他可缴我的械。”当时，岳维峻还被关在山西，孙岳已病得成为废人，维系诸军关系的感情成分在冯玉祥头脑中已开始减少，故在国民军三军主力独自行动之后，断然对其他余部下了手。徐永昌在回忆录中说：“冯此事做的太对不起友军，对不起朋友”；“然方振武部则因走的最早、最前，首先由甘人陕，协同第一军解西安之围，得以无事，不过亦感于冯之不可靠，出潼关后，有理由归了中央”。
此时，冯玉祥和于右任之间的关系也产生了严重的矛盾。于右任是老一代资产阶级革命家，曾担任过陕西靖国军总司令，与国民军二军将领有较深的历史渊源。冯玉样对于比较尊重，在五原誓师时曾要他出任国民军联军副总司令。但是，于却没有答应，他称：“不知陕中将领是否革命，如我任职而归，恐将领向我要饷要钱，我无办法，故暂不接受。”于所述理由有一部分实情，但更主要的是不乐意居冯玉祥的手下。此后，于右任先于冯玉祥起程赴陕西，计划重新整编在陕的国民军二、三军各余部。冯玉祥认为于右任是文人，不愿他在陕握得军政大权，曾密电委邓宝珊为二军总司令。但是，邓接到此电后坚决反对，故此任命才作罢。鉴于此，拥护于右任的史可轩、甄春山等急推于右任为二、三军总司令，以与冯玉祥相对抗。于右任表示同意，决然就职。当时，中国共产党人对此进行了分析后认为，冯玉祥及于右任“二人都有做西北王的倾向，表面上虽尚自以革命为言，骨子里则包含很大冲突。”
西安城围解除之后，在陕西的国民军二军、三军各部仍没有多少进步，其编制混乱，军纪无存，“五人一营百人一团，到处扰乱民众，”还有部分将领“各怀野心，乱事招募土匪，壮大声势”。国民军一军与二、三军各部混乱屯驻，更不断引发矛盾发展。各军在西安设立的省办事处“星罗棋布，触目皆是”。鉴于此，冯玉祥决心对各部进行整顿改编。但是，这在一定程度上更加深了诸军之间的猜疑和矛盾。
1927年1月19日，冯玉祥致电于右任，提出：“……废去从前二、三军名号，以化除畛域”。
2月17日，他又通令全军称：“现本军部队众多，所有前称国民军第一、二、三、五军等名目应即一律取消，悉按新编制办理，庶使形式相同，精神自更一致”。为此，冯玉祥在西安召集各部队将领会议，制定了《军队编制议决案》，其中规定了：“……按好枪数目规定各路所属之正式师旅数目”；“认真淘汰老弱及不堪造就之官兵，宁缺勿滥”；“添报新兵，改编土匪非有联军总司令部命令不准施行”；“零星小部队能归并者，归并改编，其不守本分者或不堪造就者，令其缴械遣散之”。
1927年2月，国民军联军改编如下：第一路方振武部，第二路刘郁芬部，第三路孙良诚部，第四路马洪逵部，第五路石友三部，第六路韩复榘部，第七路门致中部，第九路井岳秀部，第十路杨虎城部，第十一路田玉洁部，第十二路卫定一部，第十三路张维玺部，第十四路孙连仲部，第十五路徐永昌部，第十六路吴新田部，第十七路邓宝珊部。
冯玉祥对国民军的整编，使各部在形式上基本统一起来，但仍没有改变原各军各行其是的状况。国民军二军各部仍乱招土匪，不听总部之号令。但是，取消国民军各军名号却又加深了其他各军领导人对原一军的猜疑，使其离心力日剧。
