蒋冯阎在中原酝酿大战的时候，桂系李白黄正在同蒋粤军苦战。正当他们偏处广西、一筹莫展的时刻，得到北方反蒋联军以阎锡山为首即将发动反蒋战争的消息，不啻为雪中送炭。无疑给了他们以极大鼓舞。李宗仁与阎锡山遥相呼应，于2月21日领衔，黄绍竑、白崇禧、张发奎、胡宗铎联名，发表通电称：
党国破碎，民苦流离，推原祸首，皆介公一念之私，有以致亡，故介公一日不去，则整个的党，统一的国，一日不成……百川先生，公忠谋国，普海风从，定止战争，匪伊不任。宗仁等再思筹思，唯有请百公为全国陆、海、空军总司令，总揽军权。焕章、汉卿两先生，党国干城，勋尤夙著，敬推为副总司令，夹辅百公，借以促成整个的党，统一的国早日实现。《国闻周报》第7卷第8期。
李宗仁对阎锡山的印象并不很好，称其为‘工于心计‘之人。此时他为阎锡山摇旗呐喊，无非是想造成反蒋声势，借机使自己走出困境。李宗仁的表态，立即得到了阎的回应，除派人赴桂与李宗仁取得联络外，他还电邀后者到太原参加反蒋军事会议。3月初，李宗仁派叶琪、胡宗铎、麦焕章等前往太原，与阎、冯等各派首脑会商反蒋事宜。
经过协商，大家拥护阎锡山为中华民国陆海空军总司令，冯玉祥、李宗仁、张学良为副总司令。4月1日，李宗仁在桂平就职。按照反蒋军事联盟的统一编制，李宗仁所辖桂军及张发奎部，改编为中华民国军第一方面军。其编制如下：
第一方面军总司令：李宗仁
副总司令：黄绍竑
总参谋长：白崇禧
参谋长：陈翰誉
第一路指挥宫：张发奎
第四军
第四十三师
第二路指挥宫：白祟禧（兼）
第七军
第四十五师
第三路指挥官：黄绍竑（兼）
第八军
教导第一、第二师
5月中旬，蒋、阎、冯大战已全面爆发，津浦、陇海两路皆有激战，阎、冯电李迅作策应。这时，广西战事却呈胶着状态，蒋粤军队无力发动新的攻势，桂系军队也无法反攻驱敌。为确定桂系今后出路，李宗仁在贵县黄练圩召开紧急会议，除黄绍竑在南宁外，白崇禧、张发奎、薛岳、吴奇伟、李品仙等都出席了会议。经过讨论，大家一致认为，以桂、张军当时力量，不易把入侵广西的粤军逐出省外，为打破僵局，应放弃广西根据地，挥师入湘，乘北方战事激烈之际进攻武汉，与阎、冯会师中原。当时在右江‘围剿‘红军的黄绍竑得到消息，虽极不赞成放弃广西，但表示服从团体的决定。5月22日，桂张军各部先后放弃浔洲、贵县、横兴等地，秘密与粤军脱离接触，集中桂东北，抱定破釜沉舟的决心，分三路入湘。第一路取道柳州、桂林出全州直向永州、衡阳前进；第二路出乐平经永明、道州亦向永州衡阳集中；第三路布置于迁江一带，掩护各军集中，俟各军入湘后随后跟进；广西后方酌留保安队维护治安。省城南宁只有韦云淞师的两千人驻守。李宗仁对这次出征很有信心，他甚至派人到香港赶印了几十箱‘国民银行‘钞票，准备打到武汉时公开发行。
在出发之前，李宗仁为了迷惑敌人，故意以小部兵力袭扰平南，诱使粤军以主力部队向桂平大举进攻。桂平守军只有一个营，坚持两天就撤退了。后来桂张军主力北上后，陈济棠误认为他们要绕道北江攻粤，乃将进入广西的蒋光鼐、蔡廷锴、李扬敬三个师撤回广东，增防北江。广西只留下余汉谋师守备。在粤军来回调动之时，桂张军主力已经迅速入湘了。真可谓祸福相依，这一行动竟然是导致桂军失败的关键因素。
此时在湖南的何键，因为内部不和，正穷于应付。而且湖南的许多地方将领与桂系关系密切，其中湘军阎仲儒旅、黔军谢彬师都拥护李宗仁为领袖，并宣布独立。还有唐生智旧部周斓师脱离湘军后，由唐生明（唐生智胞弟）率领徘徊于湘桂边境，在桂军入湘后即被改编为第八军。由于中原大战胜负难定，何健对蒋介石也不是死心塌地，采取了脚踏两只船的态度，不愿认真与桂系作战，致使桂、张军进展十分顺利。5月22日，桂、张军未经激烈战斗即进至新阳、白水、永州，湘军第十九师刘建续部退守衡阳。24日，桂、张又进至常宁、冷水滩。26日，湘军再退至古山寺、六塘、宝庆，并有第十六师一个团倒戈投桂。27日，桂、张军发起进攻，但未经战斗，即轻易占领衡阳，湘军全线退至湘潭、株岗、渌河、醴陵一带。
蒋介石见何键不肯认真作战，极为不满。但是中原大战正酣，他不想再生事端，只好命令武汉行营主任何应钦另调兵力加强湖南力量，同时命令广东二陈急速派军入湘作战，命令朱绍良部由吴淞口乘船溯江开入湖南，另派飞机、军舰入湘助战，并命令鲁涤平封锁湘赣边界，配合湖南作战。接到蒋的命令后，何应钦于29日抽调3个团，由钱大钧、胡伯翰率领入湘，又于6月1日另调夏斗寅率1个团入湘。同时，陈济棠派出蒋光鼐为前敌总指挥，统帅第六十、六十一、六十三三个师及空军部队，由粤北韶关就近向郴州前进，企图截断桂、张军后路。正是这一招最终几乎致桂张军于死地。
蒋介石在部署兵力击桂的同时，还进一步拉拢何键，电令在湘军队统统由何键指挥。何键因见形势于己有利，一改消极态度，下令以湘军全力作战。6月2日，他在株洲颁布悬赏令，接着又公布连坐法，一面激励官兵用命作战，一面防范部队倒戈。但是，湘军一贯松懈，此时仍无斗志，还是没能阻止桂、张军的进攻。6月初，张发奎率部在泗汾桥与湘军激战，大败湘军，占领了醴陵，缴获大批枪械。4日，桂军击破渌口、株洲之敌，一举攻占长沙。何键率省府官员退往湘西，钱大钧部北逃。7日，李宗仁、白崇禧、张发奎进入长沙，委第八军军长李品仙为湖南省绥靖督办。8日，桂、张军乘胜北进，又一举攻占了岳阳。至10日，蒋军全部退至贺胜桥以北，桂、张军挥师进入湖北。
正当李宗仁率军进展顺利之际，战局却出人意料地发生了逆转。在平汉线上，一根筋的冯玉祥命令部队进至许昌后没有继续追击败逃的蒋系杂牌军，而是将主力东进陇海线，去与装备精良的蒋军嫡系火拼，因而丧失了与李宗仁部夹击武汉的有利时机。在湖南战场，桂、张军占领岳阳后，黄绍竑所率后续部队及辎重给养却未能及时跟进。6月10日，当黄部迟迟进至零陵时，粤军蒋光鼐、蔡廷锴等部则已尾追桂、张军一路北上，先后攻占了衡阳、耒阳、永兴，切断了桂、张军与黄部的联系。这样，桂、张军虽进展顺利，却成了深入湘北、鄂南的孤军。
在前方失去与冯军呼应，后方失去与黄部联系的情况下，桂、张军的处境十分危险。为了摆脱危机，李宗仁召集白崇禧、张发奎等商议。他提出：我军既被中分为两，当前的决策唯有二途可循。一、不顾一切，以破釜沉舟的决心直取武汉。二、回师会攻衡阳，克复衡阳后再继续北进。这时，黄绍竑也急电李宗仁：以兵力单薄，难将衡阳夺回，请将前方部队回师破敌，再一同北进。经商议后，李宗仁决定放弃北进武汉计划，回师复攻衡阳，先除后顾之忧。
这时，蒋军调整了部署，鲁涤平部由东，陈济棠部由南，何键部由西，夏斗寅部由北，四面向桂、张军压来。另外，蒋军8艘军舰也从洞庭湖驶入湘江。6月14日，桂、张军放弃岳阳，向醴陵、耒阳撤退。18日，留守长沙的李品仙、唐生明部也全线南撤，围攻衡阳。黄绍竑率部向常宁前进途中，在秧田圩遭粤军阻击。及李宗仁率部到达耒阳，粤军才退守衡阳。由于衡阳工事坚固，粤军作战顽强，而且武器装备也颇精良。桂、张军此时内部的李、白、黄、张各怀心事，意见不合，军心士气也大受影响。
桂张军鼓起余勇，开始猛攻衡阳，经过激烈战斗，伤亡甚众，仍不能攻下该城。此时桂、张军已马困兵疲，加之年逢湖南大旱，赤地数百里，购粮无处，部队给养中断，士气锐减，李宗仁只好下令先移军江北休整。衡阳粤军见桂、张军后撤，随之出城追击。李宗仁在洪桥召集军事会议，他提议以一部截击出城之敌，主力乘机南进广东；白崇禧则提出，乘机回攻衡阳后再入广东；黄绍竑也主张在衡阳与粤军决战。李宗仁采纳了白、黄意见，于7月1日下令反攻衡阳。李、白、张率四、七军在左，黄绍竑率十五军等部在右，于衡阳五塘附近向粤军展开进攻。经两日激战，双方伤亡均很惨重，桂、张军有3名师长相继阵亡。此时，蒋军援部已源源开动，桂、张军有陷入重围之险。为避免全军覆没，李宗仁下令立即向广西突围。13日，李宗仁率领残兵败将，终于逃回桂林。这一战桂张军大伤元气，仅余数千人，其中张发奎部最后剩下不足千人，使他心灰意冷，差一点弃军出走。这时桂系内部军心涣散，领导集团也产生了裂痕，其中黄绍竑离开了广西，到南京投靠了蒋介石。
曾几何时，创造了一次又一次奇迹的新桂系集团至此辉煌不再，后来虽然屡仆屡起，但是再也无法同蒋介石进行势均力敌的抗衡了。