国民军在南口抵抗敌人围剿的同时，还分别进行了抗击吴佩孚策划的地方军阀进攻甘肃和陕西西安的保卫战。
1925年10月，国民军占领甘肃后，仅仅控制了兰州，其他地区仍为地方军阀势力所盘踞。其中，以陇东镇守使张兆钾、陇南镇守使孔繁锦、凉州镇守使马廷襄势力较为强大。其余韩有禄、宋有才、黄得贵等力量较弱。西北回族领袖马福祥任“西北边防会办”后，对国民军持合作态度，使回族地方势力基本能与国民军相安。但是，张兆钾对国民军持敌对立场，本人野心也不断膨胀。国民军入甘前，他怂恿李长清驱逐陆洪涛，就是想取以自代，掌握全甘肃的统治权，且早就与吴佩孚有秘密往来。国民军退到南口之时，吴派人与张兆钾、孔繁锦联系，分别委任为援甘正、副总司令，并许以甘肃督办及省长。张兆钾见到国民军节节败退，在甘肃的军队又被蒋鸿遇带走一个师，认为机不可失。5月中旬，他联络韩有禄、宋有才及孔繁锦等向国民军发动了进攻。
冯玉祥在去苏联之前，曾将在甘肃的刘郁芬与在绥远的李鸣钟对调。刘郁芬本不愿意离开甘肃，但不得不接受新的任命，并借此机会扩充了在甘肃的军队，新组建了暂编第十二师，以丁振国、郭安学为旅长，蒋鸿遇为师长；孙良诚为第二师师长，辖梁冠英、张维玺、安树德三个旅。1926年3月，蒋鸿遇率部开赴绥远，在刘郁芬未到之前，暂代都统一职。但是，就在蒋离甘不久，甘肃战端骤起。与此同时，国民军在南口的战事也很吃紧。所以，刘郁芬一时去不了绥远，李鸣钟也来不了甘肃。一直到国民军从南口总撤退，刘郁芬仍留在甘肃自任督办。
1926年5月上旬，张兆钾佯称修筑道路，偷越六盘山，向西推进，拟偷袭兰州。5月22日，张兆钾发出进攻国民军通电，并出兵两路攻占了定西。与此同时，驻阿干镇的黄得贵部也会同驻狄道的宋有才部、驻固原的韩有禄起兵，向兰州发动了进攻。国民军被迫进行应战，此可视为南口大战在西北部的延伸。
此时，国民军在甘肃兵力单薄，仅孙良诚第二师。梁冠英旅受命反击，于28日收复定西后，在城东清凉山抵抗张部反扑。张维玺旅受命抵御黄得贵，将黄击溃后，在关山与其残部及宋有才部对抗。因此，兰州防御一时空虚。鉴于此，刘郁芬命令梁冠英部从定西撤至兰州西的响水子和桑园一带，与张维玺旅的防线连成一片，与敌人对峙，并等待从绥远赶来的援军。梁冠英旅的战略撤退，出乎张兆钾的意外。他认为兰州指日可下，并为此发了一个声讨国民军的“讨赤”檄文，称：“私自招兵，此****一也；擅杀李长清，此****二也；信仰基督教，此****三也……”，一时传为笑柄。
国民军在绥远兵力虽大部投入雁北战事，但仍派出郑大章骑兵旅、谷良友、丁振国二步兵旅全力援甘。此外，在接到刘郁芬告急电报后，时任国民军绥远都统署直辖骑兵团团长兼警务处长吉鸿昌，将所部及都统署手枪团和各地警察组合编为一个旅（第十
二师第三十六旅），自任旅长，与援甘诸部星夜穿越沙漠，驰援甘肃，并于6月下旬到达兰州。
此时，国民军第二师已与张兆钾对峙了一个来月，吉鸿昌等部的到来才改变了被动局面。刘郁芬先令张维玺旅右翼出击，攻打战斗力最弱的黄得胜部。张旅将黄部击溃后，兵锋直指驻狄道、渭源、陇西的孔繁锦。孔在会同张兆钾进攻国民军的同时，曾派人到刘郁芬处暗送秋波。在张兆钾兵迫兰州时，他又派出一部进驻陇西，表面上是声援张，实际上是坐观成败，以收鱼翁之利。孔部在张维玺的猛攻之下，狼狈逃窜。8月19日，国民军攻占了孔繁锦的老巢天水，接着又攻占了西和、礼县、徽县。孔逃往汉中，投奔了吴新田。
8月18日，刘郁芬命孙良诚率梁冠英、吉鸿昌、谷良友、郑大章等部向张兆钾、韩有禄、黄得胜发动反攻。张、韩、黄等部立即败退。国民军再次收复定西，从而解除了兰州的危机。接着，刘郁芬乘胜追击，全力进攻陇东。与此同时，他又电令驻宁夏的马鸿逵进攻固原。张兆钾部逃窜到会宁的祁家大山一带布防抵抗。吉鸿昌作战素来勇猛，人称“吉大胆”。他率部攀越祁家大山，一直插到张兆钾的侧背。张兆钾急忙逃到平凉。8月30日，国民军攻占平凉。张兆钾逃往陕西。
国民军经过三个多月的苦战，基本上消灭了甘肃地方割据势力，从而完全控制了全省，对其日后的生存及发展，有重要的战略意义。甘肃由此而成为国民军比较稳固的大后方，为它再起提供了一定的物质基础，并为其援陕、参加北伐，起了重要作用。
1926年4月26日，国民军二军余部李云龙及名义上隶属国民军三军的杨虎城部，联合抵抗重新投靠吴佩孚的刘镇华“镇嵩军”对陕西的进攻，开始了长达8个月之久的“西安守卫战”。该战虽然独立于南口战场之外，但也是国民军抵抗北洋军阀围剿的重要组成部分。
1926年3月，国民军二军在豫西失败，陕西军务督办李云龙化装经山西逃回陕西，召集国民军二军留守余部，以图再起。刘镇华聚集镇嵩军旧部并收编土匪、红枪会后，迅速向陕西进发。早在3月4日，镇嵩军柴云陞部已占领了潼关。所以，镇嵩军长驱直入，很快就攻占了关中东部。4月2日，吴佩孚委任刘为“讨贼”联军陕甘总司令。他立即通电就职，并在攻占陕县后将所部编为八个师，向西安进犯。原陕西地方割据武装麻振武、侯保杰等部均投靠了刘镇华。
当镇嵩军兵临西安时，城内守军只有李云龙所属国民军二军第十师一部及陕西陆军第四师卫定一部两个团，兵力不足五千人。
李云龙刚从豫西败归，没有坚决抵抗的决心。城内一些与刘镇华有勾结的士绅已组成“和平期成会”，准备欢迎其进城。刘镇华也满以为西安已为不设防的城市，等待举行“入城式”。刘镇华此次拼凑十万土匪式乌合之众，就地征发给养，所过各县，庐舍为墟。陕西人民曾长期遭受他的残酷统治，对其再次入主西安极为恐惧。他们强烈要求以杨虎城为主力的陕西国民军各部对他进行坚决抵抗。
杨虎城所部在名义上为国民军三军第三师，实际上一直独立活动于陕西，先是依存于陕北的井岳秀，后占据渭北。当国民军二军在豫西被刘镇华部阻截时，他立即放弃了关中西部风翔、宝鸡，回师到三原和临潼、渭南地区，准备出兵潼关援救，但由于国民军二军速败而未成行。此时，杨部是在陕国民军各部中最有训练、战斗力最强的军队，且和中国共产党员魏野畴领导的陕西左翼力量有良好的合作关系。所以，杨虎城在国共两党人士的影响及人民的支持下，担负起了抗拒镇嵩军的重任。4月中旬，他邀请李云龙、田玉洁、卫定一在三原举行军事会议。魏野畴从北京回到陕西，也立即赶来与会。他们分析了国内局势，决心坚守西安，抗拒强敌。会议议决：由李云龙、杨虎城两部守卫西安；卫定一防守兴平、武功；姜宏模部驻守咸阳，李子高部驻三原；田玉洁部守泾阳并负责指挥渭北及城外所部。4月16日，杨虎城部三个旅从耀县、三原进入西安。5月15日，该城陷入镇嵩军的四面包围之中。
西安是当时陕西战事的主要战场。刘镇华用以围城的兵力约7万人，且有较充足的武器补给。城内国民军各部仅1万人，但同仇敌忾，不畏强敌。5月19日，各部将领召开联席会议，势力最强的杨虎城为加强团结及统一指挥，首先在会上提议并议决：取消国民军二、三军的番号，一律改称陕军；以李云龙为第一师师长，驻防泾阳的田玉洁为第二师师长；并推戴李云龙为陕军总司令，杨虎城为副司令，并设西安城防司令部，任命史铸为司令；设西安军警联合处，以丁增华为处长。在防务上，杨部担任敌人重点攻击的东、北两方向的防守；李部负责南面，卫部负责压力较小的西面。
此外，杨虎城还命令所部将从靖国军时代就有的军帽上的红圈取消，在军服上与李、卫二部保持了一致。上述措施，为各部长期坚守西安，艰苦作战，奠定了坚实的基础。
刘镇华在突袭西安失败后，采取了围城战术，命其部环城挖了一条深壕沟，并筑起了一道又高又厚的围墙，断绝了西安与外界的联系。此外，镇嵩军经常用数十门大炮轰击西安，几乎日夜均发起攻击。西安军民沉着应战，顽强抵抗。
6月8日，镇嵩军在城东北角秘密坑道挖掘，用炸药炸倒城墙三、四丈后，以重兵突击袭城。陕军拼死抵抗，激战数小时，击毙敌人数百人才堵住了城缺。此后，敌人又对西南最突出的小雁塔以重兵发动多次猛攻。双方多次易手。6月15日，双方又对小雁塔展开攻守战。守军坚守4昼夜，阵地失而复得5次。18日，守军冒雨冲锋将小雁塔夺回。双方伤亡均甚惨重。7月22日，敌人集中炮火轰击东北城角，然后以4000余名敢死队架云梯攻城。城上守军以大刀、手榴弹与之肉搏，其惨烈程度，在当时是罕见的，战
斗相持10多小时，最终将敌人击退。
9月26日，吴佩孚派空军轰炸西安并散发传单，对杨虎城、李云龙的首级分别悬赏十万元和五万元，用以恐吓诱惑守城军民。
与此同时，刘镇华曾一度派军围攻陕军坚守的渭北其他重镇，但也没有得逞。
1926年初冬，粮食告罄，最后还出现了军民争食的现象。守城军民因饥饿死亡相继发生。一切可以食用的动物、植物、皮革制品、药材及至油渣，均搜罗殆尽。杨虎城一再严肃军纪，稳定了社会秩序，缓和了军民关系，但终不能解决缺粮问题。在坚守西安的8个月中，军民死伤近5万人。人民为此付出了重大牺牲。
当战争进入后期，城内粮食供应发生危机时，一些士绅又煽惑人心，反对继续守城，甚至要求李云龙退出西安，还有人到陕军总司令部提出质问。对此，国共两党及左翼人士领导群众进行了坚决反击，并向军民各界进行广泛宣传活动，揭露投降派活动的阴谋。杨虎城坚决镇压了“和平期成会”的头目褚小毖，并向全军宣誓，如果敌人一旦攻入西安，他一定在钟楼自杀，以此来表示自己的信念和决心。这一切，极大地提高了部队的士气，对克服动摇，稳定人心起了巨大作用。
为了打破敌人的围城，守城军民两次在城外援军配合下进行突围战。6月，西安城外陕军姚震率两团由咸阳渡渭河，来解城围，但在距城二十公里高阜被镇嵩军围堵，不得不撤回。为了响应城外援军，城内守军也于6月22日出击，向城西北突围，先后攻占多处村庄，但因城外援军已撤退，被迫返回城内。8月7日，渭北各路陕军又由咸阳渡过渭河，再次进行解围战斗，先头部队曾到达距西安20余里的扬角城。城内守军也出城向西北方向配合，经过8日夜的激烈战斗，终因力量悬殊而告失。城外援军被迫退回渭北。城内守军于16日退回城内。两次突围战终未能打破敌人的城围。
在西安守城的同时，刘镇华命镇嵩军分兵进攻三原、咸阳、高陵、泾阳等城镇。守城陕军各部均进行了坚决抵抗。5月中旬，投靠镇嵩军的侯章保被部下刺伤，官兵哗变并脱离镇嵩军，其首次围攻三原遭受失败。
8月上旬，刘镇华再次派兵攻占了泾阳、高陵。8月中旬，三原也被围城。但是，三原守军甄寿珊部（杨虎城部下）在共产党人帮助下，坚持了三个月反围城的艰苦斗争。与此同时，咸阳也始终在陕军坚守之中。上述各城军民的英勇斗争，牵制了镇嵩军的兵力，有力地支援了西安军民的保卫战。
西安军民坚守孤城达8个月之久。这是继蒋士杰部防守信阳之后，国民军据城抗敌的又一成功战绩。11月27日，国民军联军孙良诚经甘肃平凉入陕，与方振武五军一举解除了西安城围。刘镇华镇嵩军被迫向东逃窜。