唐生智于1926年6月2日正式宣布加入北伐军序列后，把原来的旅扩编为师：原第九旅改为第二师，以何键为师长；原第八旅改为第三师，以李品仙为师长；原第二旅改为第四师，以刘兴为师长；原警备旅改为教导师，以周斓为师长。6月4日，唐生智在衡阳宣布成立湖南省临时政府，自任省长，下设民政、财政、建设、教育四处，分别委任冯天柱、刘岳峙、邓寿荃、周鳌山为处长。
唐生智在国民党湖南省党部特别委员会的推动和帮助下，开始革除弊政，刷新政治；宣布解散湘南二十四县的旧议会和旧农会，要求组织新农协；废除赵恒惕政府颁布之《工会条例》，施行广州国民政府颁布之《工会条例》；特赦政治犯；举办“湖南政治讲习所”，大力培训干部。
为筹集军费，唐生智还在湘南各县发行公债，按家产派购：凡家产在三十万元以上者，至少认购一万五千元；二十万元以上者，认购八千元；十万元以上者，认购二千元；五万元以上者，认购一千元；二万元以上者，认购三百二十元；一万元以上者，认购一百五十元；五千元以上者，认购五十元；家产不足五千元者，可以免购。从而体现出征富不征贫的原则，保护了农民的利益。
通过施行以上办法，湖南工农运动得到了迅猛发展，唐生智也因此赢得了更广泛的支持。于是，湖南形势为之一新。
1923、1924年，孙中山曾两次出师北上讨伐北洋军阀，均因湖南地方实力派的阻挠而未能入湘。唐生智率部加入革命阵营，不仅为广东国民政府出师湖南排除了障碍，而且为北伐军增加了一支劲旅。唐部在第七军、第四军援湘部队的配合下，在湘南、湘中连战告捷，稳定了湖南战局，振奋了北伐军的士气，坚定了国民政府首脑们对北伐的信心。
6月5日，国民党中央临时会议通过了出师北伐案，国民政府任命蒋介石为国民革命军总司令，成立了总司令部，任命李济深为参谋长，白崇禧为参谋次长，邓演达为总政治部主任，苏联人加伦为军事总顾问。7月1日，国民政府军事委员会颁布了北伐动员令。9日，军民五万余人在广州东校场举行北伐誓师典礼，国民政府正式大规模出师北伐，并命令唐生智指挥第八、第四、第七军及第一军两个师，担负两湖和河南战场的作战任务。如果唐生智不投向国民政府、加入革命阵营，北伐就不可能提前进行，以吴佩孚为首的北洋直系军阀和以赵恒惕为首的湖南地方军阀将继续维持其黑暗统治。唐生智由地方实力派转变为北伐前锋，推动了革命形势的发展，这一点是值得充分肯定的。
在唐生智正式宣布参加北伐并就任湖南省临时省长以后，不甘心下台的赵恒惕先是电劝唐解兵下野，继而又由南京转赴汉口，分别致电叶开鑫、唐生智罢兵息争，同时电请北伐军总司令蒋介石勿派兵入湘。紧接着，赵又派宾步程赶赴衡阳，并致函唐生智部将何键、刘兴、李品仙、周斓，希望他们劝唐下野息兵，幻想保住湖南地盘。不料，宾步程在衡阳街头露面时，被市民发现，工人、学生因其前在水口山镇压工人、现在又为赵氏当说客，便将宾氏捆绑起来，游街示众，并准备投入江河。这时，唐生智派人赶到，在答应出师北伐后，工人、学生才将宾氏释放。唐生智伐叶讨吴的决心已定，并未被赵氏说客所动。
不久，蒋介石电复赵恒惕，称叶唐之争本为“兄弟阋墙之争”，不应“引异军入室”，劝赵“以国家与民族之自由独立为重，吴氏之个人感情为轻，翻然改图，共讨国贼”，加入反吴阵线。赵恒惕不让北伐军入湘的幻想成了泡影，从而更加坚定了唐北伐的信心。
唐生智驱赵讨吴，加入国民革命军，在川黔军阀中产生了强烈的震动。加之，吴佩孚以杨森、邓锡侯、田颂尧取代赖心辉、刘湘、刘文辉，激发了刘湘等四川军阀的反吴情绪。6月下旬，刘湘、赖心辉等派代表赴粤，向国民政府输诚，并来湘与唐生智接洽反吴。在唐生智积极部署反攻的时候，黔军贺龙部在辰州宣布参加北伐，彭汉章部移驻黔东、湘西，接受国民政府改编，助唐攻叶。7月1日，唐生智任命贺龙为国民革命军第八军第六师师长兼湘西镇守使，驻防沅陵。这样一来，驱叶讨吴的力量就更加强大了。
随着第七军、第四军援湘部队陆续进入湖南和广州国民政府正式确定出师北伐，唐生智决定利用北洋援湘军与湘军的不协调，未等北伐主力入湘便先行率部进行反攻。唐将所部分成左、中、右三路，以夺取长沙为目标。左路由何键率领第八军第二师与第七军之钟祖培旅经宝庆、湘乡，侧攻长沙。中路由唐生智亲率第八军第二、第四师和教导师，从正面攻取长沙。右路由第四军叶挺独立团、陈铭枢第十师和张发奎第十二师进攻醴陵，切断株萍铁路，以掩护中路。
唐生智在出师前夕，发布了“训诫令”，要求将士“本救人救世精神，为三民主义奋斗”，他把佛教教义和三民主义杂糅到一起来做军队的鼓动工作。唐生智宣称，以有主义的军队和坚忍沉着的毅力、严密的纪律，去打无主义的敌人，一定可以取得胜利。他还特别对第八军将士强调，要珍惜以往屡战屡胜的荣誉，在与第四、第七军并肩作战时尤应努力，为第八军争光。
7月5日，唐生智以北伐前敌总指挥名义发布总攻击令，命令三路大军全线出击。各县农民在农民协会的组织下，争先恐后地为北伐军带路、侦察敌情，承担运输、扫雷任务，并直接参加战斗，截击敌军。北伐军在他们大力支持下，所向披靡。7月6日，刘兴、钟祖培部占领娄底。7日，何键部占领谷水，叶挺独立团攻占泗汾，张发奎部进占皇图岭，陈铭枢部占领新市。9日，鄂军夏斗寅部进占湘乡。此时，周斓教导师罗霖团仍停留在虞塘，唐生智质问罗为何不前进，并打了他一记耳光。10日，李品仙部攻占湘潭，叶开鑫率部向长沙退却。紧接着，李品仙部自湘潭追击溃退之叶部，进入长沙，俘虏叶军旅长刘雪轩及官兵二千余人。刘原为谭延闿部团长，谭、赵战争期间，刘叛谭投赵，任旅长。后随唐生智加入国民革命军，奉命增援宝庆。刘见唐暂处劣势，欲叛唐附叶，当行至途中，便倒戈袭击唐军。唐生智见刘朝三暮四，反复无常，便下令将其枪决。
在李品仙部进占长沙的同时，唐军其他各部先后克复了浏阳、宁乡、湘阴、益阳等地，扫除了长沙外围之敌。这对刚刚正式宣布出师北伐的国民政府来说无疑是振奋人心的消息。7月12日，蒋介石在广州致电唐生智，表示祝贺，称“此次克敌神速，于最短期间恢复长沙，皆由兄指挥若定，各将士奋勇作战”，要唐代他慰劳全军将士。
7月14日，唐生智进驻长沙，并命令北伐军乘胜追击。此时，北伐军总司令部致电唐生智，要求唐在长沙等候研究下一阶段作战计划，防止孤军深入。于是，唐生智在将部队推进至汨罗江一线后便按兵待命。不久，第一、第二、第三、第六各军参加北伐的部队，也奉命推进到株洲、醴陵、茶陵、攸县等地休整待命。
唐生智在北伐军主力出发之前便率部反攻，充当了北伐的先锋。之所以能在旬日之间克复长沙，将敌击退至湘北，是因为唐生智抓住了战机，利用国民政府正式宣布出师北伐、士气高昂的有利条件，趁敌军还未部署就绪便指挥所部合力进击，从而取得了辉煌的战果。而广大群众的支持、参战，也是唐部获胜的重要因素。唐生智也承认，“此次攻克长沙，本人无功可言，端赖前敌将士之奋勇作战，尤得力于民众之帮助”。相反，吴佩孚组织的“援湘军”是为抢夺地盘和监视叶开鑫军而来的，无意拼命抵抗，一旦遇到攻击便望风而逃。赣军唐福山部也不愿意替别人卖命。北军迅速溃退，影响了叶开鑫部的士气。唐生智利用他们之间存在的隔阂，将他们各个击破。
唐生智作为北伐前敌总指挥，首先率部进行反攻，扭转了战局，从而提高了北伐军的威望，进一步激发了广大群众参战的积极性，为北伐大军进入湖南铺平了道路；也令吴佩孚、张作霖、孙传芳等北洋军阀刮目相看。唐生智一下子便由一个地方实力派变成了具有全国性影响的“英雄人物”。后来，毛泽东在《湖南农民运动考察报告》中就生动地描述了这一情形：“湘潭一带的小孩子看牛时打起架来，一个做唐生智，一个做叶开鑫，一会儿一个打败了，一个跟着追，那追的就是唐生智，被追的就是叶开鑫。”