6月15日，国民革命军第4军第12师张发奎部自广州出发。其后，各部陆续北上。吴佩孚得知广东政府出兵援唐后，增派鄂军3个旅入湘作战，并调拨大批枪械弹药支援叶开鑫。但这时吴佩孚对北伐军的实力估计不足，其主力仍集中于北方对冯玉祥的国民军作战，南方则命令叶开鑫的湘军和李倬章的援湘军在湖南暂取守势。叶、李指挥下的各色部队人数虽有10多万，但内部派系复杂，各怀保存实力心理，统一指挥十分困难。
6月下旬，北伐军第4、7、8军之主力已相继集结到湘南前线，兵力总计约6万余人。自6月29日起，北伐军分左、中、右三路由湘南北上，直指长沙。7月10日，叶开鑫部从长沙北撤，北伐军于次日进驻长沙。7月25日，新的湖南省政府成立，唐生智任主席，宣布废除赵恒惕主政时期之省宪法，解散省议会，直属广东国民政府领导。7月27日，蒋介石偕苏俄顾问加伦和行营参谋长白崇禧等总部人员由广州出发，赶赴北伐前线。