1926年7月，国民革命军出师北伐，李济深以国民革命军总参谋长、第八路军总指挥名义留守后方，除指挥本部陈济棠、徐景唐两师及第一军第二十师钱大钧部外，第五军李福林部（福军）、第十五军黄绍竑部（桂军）及第十六军范石生部（滇军）亦隶属于李。同时，李济深派出陈铭枢第十师、张发奎第十二师和叶挺独立团，由第四军副军长陈可钰率领入湘参加北伐。

陈可钰率陈、张两师及叶团进入湖南后，在中共发动的农民运动支援下，战无不克，汀泗桥、贺胜桥两战消灭吴佩孚主力，被誉为铁军。国民党宁、汉分裂时，张发奎部扩编为第四军，陈铭枢部扩编为第十一军，张、陈两军及唐生智部成为武汉国民政府重要军事支柱。张、陈两军均有大批共产党人作骨干，故战斗力很强。

1927年7月，武汉国民政府亦叛变革命，周恩来领导张、陈两军中由中共控制的部分军队，联合第二十军贺龙部发动南昌起义。陈铭枢第十一军只有蔡廷锴第十师逃往福建，后辗转返回广东。张发奎率其第四军残部万余人由江西返回广东，借口驱逐桂系发动广州政变，意图拥护汪派在广州另立国民党中央。但正当张发奎、黄琪翔指挥粤军与黄绍竑在西江混战时，震惊中外的广州起义爆发。张发奎、黄绍竑、陈济棠等部军队合力向广州反扑，广州起义失败。张、黄亦因此引咎辞职，第四军交给缪培南率领，后编入蒋介石第一集团军，参加对张宗昌作战。

此后，陈济棠第十一师即打起第四军番号，长期驻扎在广东。蔡廷锴第十师亦回广东，又补充兵员，扩大为第十一军，仍由陈铭枢任军长，统归第八路军总指挥李济深领导。

粤军在北伐战争中战绩卓著，但军长李济深系桂籍，而粤人地域观念又极强，不仅李济深形成不了一个团体核心，且粤军将领本身又分成以陈济棠、蒋光鼐、余汉谋为首的广肇系和以张发奎、薛岳、吴奇伟为首的客家系，各派互相倾轧，不能相容。他们有时被蒋介石、汪精卫利用；有时又在省内互相火并，故粤军战斗力虽强悍，却难成大事。