1922年2月，航空局改组，朱卓文仍任局长，张惠长任副局长兼第一航空队队长，陈庆云任第二航空队队长，杨永安、陈艺、朱慕飞等任飞行员，李其苏任飞机厂厂长。孙中山对陈炯明的错误进行处理后，又发布北伐命令，改道江西北伐。孙中山在韶关设立大本营，任命李烈钧为北伐军总司令，许祟智为总指挥，分三路大军，直取江西。航空队奉命配合陆军作战，张惠文胨庆云率飞行员蔡司渡、陈秀、张爱同、陆露司、胡汉贤、舍启诚等偕机械员及飞机，进驻韶关及赣南一带，受北伐军右翼总指挥许崇智指挥。5月9日，孙中山于韶关誓师北伐，分兵三路进攻江西。6月1日，孙中山令胡汉民留守韵关，自回广州镇抚陈炯明部。6月13日北伐军攻克赣州，15日进军吉安，江西都督陈光远弃职逃走。航空队配合陆军作战，进展顺利，相继攻占信丰、南康、崇义等地。正当北伐军取得节节胜利的时候，6月16日，陈炯明叛变，率部围攻总统府，炮轰观音山。孙中山幸于夜间脱险登上楚预舰，23日转往永丰舰(后改为中山舰)。其间，飞行员胡锦雅从大沙头驾驶“寇蒂斯”水上飞机1架，到永丰舰旁为孙中山传达命令及遂行侦察敌情等任务。
1922年10月，北伐军右翼总指挥许崇智率部攻人福州。孙中山任命许崇智为东路讨贼军总司令，任命朱卓文为航空局局长。航空局即以福州马尾海军飞机工程处的飞机和器材，重组航空队，准备南返征剿陈炯明。第二年3月，西路讨贼军滇桂联军会师东下进攻广州，陈炯明败退惠州。孙中山第三次回广州组织军政府，复任大元帅，任命杨仙逸为航空局局长，兼飞机制造厂厂长，黄光锐为第一航空队队长，林伟成为第二航空队队长。1923年4月，桂系沈鸿英与北洋政府勾结，被任命为广东军务督理，沈鸿英宣布驱逐孙中山，并进攻广州。孙中山亲自督师，偕杨希闵率滇军抗击，并由航空局派黄光锐、林伟成、黄秉衡等轮流驾机助战，广州得以解围，转危为安。同年10月，陈炯明率部反攻逼近石龙，滇桂联军支持不住，航空队黄光锐、黄秉衡、杨官宇、胡锦雅等奉命驾机出击，从空中侦察得知敌无后援部队，遂通知回师途中的东路讨贼军赶到夹击，收复了河源、博罗等地。陈炯明再次败退惠州。11月，陈炯明卷土重来，兵分四路进攻广州。敌洪兆麟部已窜人石牌，形势非常危急。孙中山亲自指挥各路军奋勇抗击，并命令航空队黄光锐、林伟成率机出击。航空队不断轰炸、扫射敌军，有力地配合陆军反攻，陈炯明又一次大败而逃。孙中山在几次平定叛乱作战中，拥非常重视对航空队的使用，并适时指挥航空队出击。当时航空队的飞机没有投弹设备，投弹时，飞行员把炸弹拿在手里，加上引信，然后用手投下去。这种投弹方式，既麻烦又危险。飞行员们驾机起飞后，孙中山常常在机场等待他们，返航后，孙中山满面笑容，问长问短；然后一道去吃饭，无拘无束地随便畅谈。孙中山关心部属，平易近人的作风，激励着飞行人员英勇作战。
孙中山平定叛乱后即准备出师北伐，1924年9月18日，孙中山以中国国民党的名义发表北伐宣言。同一天，孙中山给航空局命令：“饬令航空局调拨军用飞机四架，克日派员驾驶赴韶听候调遣。”
正当孙中山调兵遣将准备北伐的时候，1924年9月，直系将领冯玉祥发动了“北京政变”，北京政府由冯玉祥、张作霖、段祺瑞共同支配，段祺瑞任临时执政政府执政。
孙中山为了早日结束军阀混战的分裂局面，实现国家的统一，毅然决定北上，并于11月10日发表了《北上宜言》，表明了反对帝国主义、反对封建军阀的政治立场，阐明了国民革命的目的，并主张召集国民会议来谋求中国的统一与建设。孙中山到达北京后，由于抱病起程，旅途劳累，加之对段执政政府的卖国政策的极度痛恨，使病情恶化。终因肝癌医治无效，不幸于1925年3月翅日在北京逝世。
为实现孙中山北伐的遗愿，1926年5月，叶挺独立团作为北伐洗遣队，首先挺进湖南。7月1日，广州国民政府发布了《北伐宣言》。7月9日国民革命军誓师，北伐战争正式开始。航空局改为航空处，隶属国民革命军总司令部，由林伟成任处长，张静愚任党代表，杨官宇任飞机修理厂厂长。国民革命军航空处所辖飞机编为北伐航空队，由林伟成兼任队长，装备有“地海威兰”飞机13架。这些飞机机身都标有“中山”二字，称为“中山号”飞机。另有“容克斯”水上飞机1架。北伐航空队随北伐军北上作战。
1926年8月初，黄秉衡率航空队飞机3架，随北伐军进驻衡阳。敌军急忙调兵遣将，南下增援。航空队飞机奉命实施空中侦察，“将敌之炮垒、战壕、兵力之分配、辎重之所在，一一摄入照片”，为北伐军总司令部制订作战计划提供了依据，使北伐军“一举而克长沙”。随后，“中山”2号飞机进驻长沙。北伐军进入湖北省时，在武昌以南约印千米的汀泗桥遭到吴佩孚军队的顽强抵抗。汀泗桥，虽然仅是粤汉铁路线上的一个小站，但却为武汉三镇的重要屏障，东边紧傍山势，南、西、北三面为长江支流及湖泽所环绕；仅仅在西南方架设有铁路长桥，为通向夕顺的唯一通道。吴佩孚调来陈德麟、刘玉春所部劲旅约2万人进入汀泗桥阵地，力图遏堵北伐军的进攻；并于8月26日在武昌与汀泅桥之间的贺胜桥设立前线指挥部，由吴佩孚亲自指挥作战。于是，一场决定北伐前途最激烈的争夺战在汀泅桥展开。
布战斗激烈的汀泗桥和贺胜桥之役，航空队“掩护陆军，向敌猛攻，敌虽顽强，卒被突破。汉阳、汉口既被攻克”。吴佩孚利用武昌城垣的峻固，负隅死守，等待援军。9月6日，北伐航空队进驻武昌郊外南湖文科大学，并在该校西南农田修建机场。9月8日，“中山”2号飞机从长沙飞往武昌侦察敌情。在北伐军围攻武昌城的同时，“由飞机在飞临武昌城上空轰炸之际，投下‘打倒吴佩孚’、‘废除不平等条约’、劝告敌军投降等标语，对敌军心理进攻，以打击其士气”。9月15日，“中山”5号飞机从广州飞到南湖助战。以后，“中山”2号和“中山”5号飞机各携大炸弹轰炸敌军阵地，炸毁敌电台驻蛇山炮垒，使刘玉春的城防司令机关遭破坏，给敌军造成极大的恐惧和威胁。1926年10月10日，国民革命北伐军占领武昌。
国民革命军出师北伐初期的战略是：“打倒吴佩孚，联络孙传芳，不理张作霖。”当北伐军与吴佩孚作战时，孙传芳则坐山观虎斗，以便坐收渔利。北伐军很快攻下武汉三镇，吴佩孚逃往信阳。孙传芳拒不接受“归顺革命阵营”的劝告，为了自身的安全，急忙派其第三方面军总司令卢香亭为援赣总司令，调军进驻江西，企图阻止北伐军东进。
当北伐军转战江西时，航空处亦派员随同总部赴赣西前方，在新余、高安、樟树等地修建临时机场，以备北伐军飞机降落停留。1926年9月6日，北伐军趁孙军集结部署尚未就绪，便先发制人，展开总攻击，自当天攻下萍乡开始，很快地控制了赣南地区。9月19日，北伐军第六军进入南昌城。孙传芳在其部队一度退往九江后，重振旗鼓，派出大军，倾其全力反攻，企图夺回南昌。当时，进驻南昌的北伐军只有1万余人，寡不敌众，不得不于9月21日退出南昌。10月12日北伐军将原来担任围攻武昌的第一军第二师及第四军部队调来江西，发动南昌包围战，并迂回敌军后方，切断其补给线。11月5日，北伐军攻克敌军后方据点——九江，7日攻克江西省省会——南昌。北伐航空队的“中山”2、5号飞机及1架“容克斯”水上飞机，均派赴高安、南昌一带助战。航空队除协助陆军进攻南昌外，还飞往南浔铁路一线，实施空中侦察。对敌九江兵站、涂家埠炮垒、德安的军用列车、南昌车站敌军司令部等目标实施了有效的轰炸，使敌首尾不应，腹背受击，故南昌能于最短期间攻克。南浔一带之敌，被北伐军缴械者有数万之众，孙传芳精锐部队基本上被歼灭，江西战争遂告结束。
国民革命军攻克武汉、南昌后，航空处处长林伟成同部分广东籍飞行员回到广州。不久，林伟成和陈卓林等人赴前苏联采购飞机和航空器材。国民革命军于1927年1月在武汉成立航空处，由张静愚代理处长(后任处长)。当时有部分南苑航空学校毕业的飞行人员，经中共中央北方局负责人李大钊介绍到武汉航空处工作。同年3月，在航空处下成立飞机总队，由曹宝清任总队长、欧阳璋任副总长队，下辖2支飞机队，高在田任第一队队长、欧阳璋兼任第二队队长。当时正值国共合作，飞行人员和机务人员都有一部分国民党员和共产党员，大家相处很好。北伐军攻克闽赣后，分东、中、西三路大军。东路军由闽赣入浙南，中路军又分为江左军和江右军，沿长江两岸人皖、苏。西路军则留守武汉三镇，伺机攻取河南。
1927年初，北伐军东路军进至杭州时电召云南航空人员前往服务。云南航空学校校长刘沛泉潜入孙传芳在上海的航空队，利用师生关系策反航空队飞行员成功。北伐军顺利地接收了孙传芳的飞机、器材及人员。1927年3月，国民革命军东路军航空司令部在上海成立，由刘沛泉任司令，陈栖霞任参谋长，张维任副司令兼航空第一队队长，石曼牛任副队长，高勤任航空第二队队长，李文禄任副队长。装备有“高德隆”、“布来盖—14”、“施莱克”等飞机10余架。
1927年春，国民革命军江右军围攻南京，驻在京浦地区的直鲁军航空人员中，有些是国民党员，便策动飞行人员不随军iC扩张，并保护飞机。南京攻克后，成立国民革命军江右军航空队，由张慕超任队长，石邦藩任副队长，衷立人、叶志坚等10余人任飞行员。装备有“布来盖”和“高德隆”飞机各1架。
1927年4月12日，上海发生反共事变，国共两党矛盾加剧，第一次国共合作破裂。4月18日，蒋介石在南京成立“民国政府”，与武汉国民政府对峙。武汉北伐军航空处航空队发生分化，航空处处长张静愚，航空总队队长曹宝清，航空队队长高在田、欧阳璋等，先后离开武汉赴南京。宁汉分离，原武汉国民革命军总司令部航空处改组为军事委员会航空处，由孙科任处长，喻毓西任副处长，方抱一任军事科科长。随后任命弄清秀为航空总队总队长。
宁汉分离后，武汉国民政府对于是东征讨蒋或是继续北伐，举棋不定。经国共两党联席会议讨论，决定先行北伐。1927年4月19日，在武昌举行北伐誓师典礼。北伐军以国民革命军第一集团军第四方面军为主力，共6万人，由唐生智任总指挥。武汉航空处因飞行人员和飞机都很缺乏，因而未组织航空总队随军北伐。5月中旬，北伐军集中于河南驻马店地区，沿京汉路西侧北进讨伐奉军。至5月下旬，北伐军连克漯河、郾城、许昌、新郑等地。5月26日，冯玉祥部东进攻克洛阳，并向新乡、郑州进军。6月1日，北伐军与冯玉祥部队在郑州会师，继而占领开封，武汉方面北伐取得重大胜利。正当北伐军准备挥师继续北上的时候，由于夏斗寅、许克祥叛变，武汉政府内部危机加重，北伐军奉命“班师回鄂”，这次北伐未能达到预期的目的。
1927年5月，蒋介石在南京成立国民革命军司令部航空处，由黄秉衡任处长，张维任航空第一队队长，石曼牛、崔沧石任副队长，欧阳璋任航空第二队队长，石邦藩、李文禄任副队长。原国民革命军东路军航空司令部及江右军航空队相继撤销。同年8月，孙传芳三个师乘雾夜由长江北岸强行渡江，占领了南京以东的栖霞山、龙潭车站，切断了沪宁交通线，形势极其危急。航空第一队队长张维与副队长石曼牛驾机前往侦察，不料飞机因发动机被敌军击中坠落田中，“张维受流弹击伤血流如注，石曼牛奋力抢救，始脱离危险”。国民革命军与孙军又开激战，飞机队协同作战，轮番轰炸，孙军死伤惨重，国民革命军取得龙潭太捷；这时，武汉方面东征讨蒋，并得到一些地方军阀的支持；蒋在徐州前线对直鲁军作战受挫，内部有人反蒋，明14日，蒋介石宣布下野，宁汉合流。9月，国民革命军总司令部航空处改组为国民政府军事委员会航空处，原处长随蒋介石去日本，军事委员会任命张静愚为处长、曹宝清为副处长，航空第一队队长张维受伤，由高在田继任队长，装备有“高德隆”、“施莱克”、“布来盖”等飞机14架。