南京國民政府從徐州調集嫡系部隊，防守南京西線的消息，很快便被北洋軍偵察到了。
徐州前線僅剩餘5萬人左右的的地方雜牌部隊，以黔軍為前身的王天裴的第10軍約2萬人，駐守徐州主城及北線，以皖軍為前身的馬祥兵第44軍約1.5萬人，駐守徐州南側宿縣一線。
另有剛剛收編的北洋降軍兩個旅約1萬人作為總預備隊。
1927年6月初，直魯聯軍總司令張宗唱與五省聯軍總司令孫傳方在山東濟南會晤，達成聯手反攻，收復甦皖的協議，總共集結兵力約12萬餘人，分為左右兩路，南下夾擊徐州。
左路為正面主攻部隊，以褚玉噗為前敵總指揮，下轄直魯聯軍第1、2、7軍及白俄僱傭軍鐵甲車隊，是津浦鐵路正面南下強攻徐州北線。
右路以鄭俊岩為前敵總指揮，率領五省聯軍僅剩的精銳第1、2、4師，從皖北蚌埠宿州一線向西推進迂迴至徐州側後方，意圖切斷徐州至南京的津浦鐵路，堵死守軍南側的退路，配合正面主力完成對徐州的合圍。
6月10日，左路軍直魯聯軍先頭部隊鐵甲車隊抵達徐州以北的韓莊、台兒莊一線，與王天裴的第十軍前沿部隊交火。北洋軍憑藉著鐵甲車隊和重炮的優勢，連續突破第十軍守軍陣地，王天裴部損失慘重，無奈只能節節後退。
直魯聯軍先後拿下臨城，棗莊，澤縣等徐州外圍據點，第十軍不得不退至徐州近郊，徐州北線門戶大開。
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與此同時，孫傳方殘部從皖北發起了突襲，擊潰了馬祥兵的第44軍側翼部隊，五省聯軍相繼攻占宿縣、蕭縣，至六月十八日，其前鋒直抵徐州以南的三堡車站，徹底切斷了徐州通往南京的津浦鐵路。
徐州守軍第十軍駐守徐州主城，此時南北兩面均受到敵軍進攻，同時與南京的陸路聯繫全部中斷，彈藥補給也相繼告急，王天裴連續向南京總司令部發報求援，但是總司令 所有嫡系部隊都被武漢東征軍牽制，在南京西線，已無兵可派，僅僅回電四個字，「死守待援。」
6月20日，直魯聯軍總司令下達總攻命令，一級直魯聯軍士兵分別從東、西、北三面強攻徐州城，孫傳方殘部也從南面發起進攻，守軍被徹底四面包圍。
城內守軍第十軍死守了整整三個晝夜，絲毫不見援軍的蹤影，部隊傷亡過半，彈藥也即將耗盡，徐州外圍陣地已全部丟失，6月23日，徐州北城城牆被直魯聯軍重炮轟開了缺口，守軍本就彈藥匱乏，加之兵力遠遠少於對方，北洋軍因此大批量湧入城內。
第十軍軍長王天裴見大勢已去，再守下去有被全殲的風險，立刻率領第十軍殘部從徐州城西南方向突圍，突圍途中突遭孫傳芳騎兵截擊，部隊潰散，兩萬人的部隊僅剩幾千人完成突圍。
6月24日，徐州全境被北洋直魯聯軍占領，直魯聯軍總司令張宗唱，隨即命令部隊乘勝向南追擊，南京國民政府方面的北方殘餘部隊全線潰退至淮河以南，依託淮河構築起了新的防線，安徽蚌埠、合肥成為新的南北對峙前線。
北洋軍兵臨淮河，南京國民政府直接面臨北洋軍的軍事壓力，武漢東征軍也擔心北洋軍繼續南下，威脅兩湖區域，武漢國民政府不得不下令暫停東進，而開始防備起北方的北洋軍。
武漢國民政府和南京國民政府同時陷入了「攘外與安內」的兩難，軍事對抗暫時降溫，在李雲龍看來，這就是即將合流的前兆。
北方的軍事壓力緩解之後，武漢國民政府終於騰出手來處理內部問題，此時，兩湖地區的工農運動高漲，唐生智等軍方將領開始施壓，幸好李雲龍提前命令佘延康向兩湖地區地下組織傳遞了消息……
7月中旬，南京方面與武漢方面在共同目標的基礎之下開始談判合流，武漢國民政府逐步遷往南京，北伐軍名義上重歸統一。
安徽安慶，第18軍軍指揮部內，李雲龍正坐在主座，聽著佘延康的匯報。
「軍座，果然如您所料，那邊決定把起義地點定於南昌，時間為暫定為七月底八月初。」
「唉！南昌城內僅僅有第五方面軍幾個警備團，差不多5000人馬，有著第11軍和第20軍出馬，肯定可以拿下，我軍現如今距離南昌可是有600多里，即使日行百里，對日之後才能抵達，現在還有半個多月，容我好好想想。」