孙传芳闻知南京政治危机，乘宁、汉尚未妥协，于是倾其“五省联军”全部剩余力量11个师、6个混成旅共计7万余人，加上张宗昌直鲁联军一部，号称“雄兵十万”，卷土重来，兵分三路渡江会攻南京。不过张作霖在孙传芳徐州反攻胜利后曾召开军事会议，决定暂时应该以经营江北为主，待革命军内部发生重大变化之后，再伺机进取江南。然而孙传芳已经杀红了眼，非要一鼓作气夺回江南不可。8月17日，孙军占领浦口后即与南京狮子山炮台的革命军隔江炮击。21日，武汉方面的东征军又占领了安庆，使南京政府处于极为被动的局面。
南京军委会这时已由李宗仁、白崇禧、何应钦主持，一切军令由他们三人签署发布。为巩固长江防线，南京军委会曾在8月19日开会，决定将驻在江北的军队撤回江南，以阻击孙传芳军队南渡。何应钦指挥第一路军，辖第一、第十、第十八、第十四、第二十六及第三十一等军，担任南京城东部乌龙山以东至淞沪一带的防务；白崇禧指挥第二路军，辖第二十七、第三十七、暂编第十、暂编第十一等军，担任东西梁山以西长江上游的防务；李宗仁指挥第三路军，辖第七、第十九、第四十、第四十四各军，担任乌龙山以西，东西梁山以东、长江中段的防务；前敌总指挥陈调元，驻于芜湖。此外，海军总司令杨树庄指挥第一、第二舰队，以主力警戒南京和江阴间的江段，另以一部船舰游弋南京上游。
南京政局动荡，战事日紧，军需更是紧张，于是再派白崇禧到上海筹饷救急。为安定上海局势，争取上海各阶层的支持，军委会任命白崇禧为淞沪卫戍司令，白则以自己的参谋长张定璠充任上海市长，取消了蒋介石的亲信陈群、杨虎担任的警备司令职。白崇禧到上海时，上海人心惶惶，多数人家准备五色旗欢迎孙传芳。经白再三交涉，上海银行团勉强借给南京政府60万元，以充军饷。
蒋介石的下野，使武汉方面派军队东下讨蒋失去了借口，李宗仁、何应钦电请汪精卫、唐生智停止东下之师，并派桂系将领胡宗铎前去迎接汉方要员来南京办公。汉方汪精卫等见蒋介石已下野，李宗仁又有如此表示，即于8月19日召开党政扩大会议，决议中央党部、国民政府迁往南京。同日，发表《迁都南京宣言》，其中称：“4月中旬，蒋介石等在南京自立中央党部及国民政府，陷本党于分裂。今蒋解除兵柄，听命于党，李宗仁等复请中央党部及国民政府迁都南京，兹经中执会扩大会议议决，即日迁都南京。”8月20日，汪精卫、谭延闿、孙科、程潜、唐生智、顾孟余等汉方要员到达庐山，与胡宗铎面谈，并电请宁方李宗仁、白崇禧、何应钦等前来会商。由于国民党在南京的大佬全部离开，形成政治真空。李宗仁虽说在党内资历较浅，但无形中成为了宁方的主帅。
8月22日，李宗仁到达庐山牯岭，表示欢迎汉方军政要员来京“共商大计”，并请汉方出兵协助抗击孙传芳。他认为，蒋介石已经下野，孙传芳军正在南京上下游一带隔江相峙，武汉的军队如仍东下，无异为军阀张目，势必引起南京方面极大的不安和误会。因此，他坚决要求武汉的军队立刻在安庆一带停止前进，以释群疑；并希望能有几位中央大员同他到南京，以安军心。冯玉祥所派的代表刘骥也参加了会谈。
对于李宗仁的要求，汪精卫予以同情，认为李所陈各点非常合乎情理，转而恳请唐生智把东下的部队停留在安庆。谁知唐生智竟斩钉截铁地说：“我的部队绝不能在安庆停止……至少要开到芜湖！”唐还说：“我可不管什么军心民心惶惑不安啊！”“我有我的计划，别人用不着管！”这本身又表明，此时汪精卫已失去控制武汉方面的能力，无法驾驭坐拥重兵的唐生智。经过李宗仁和汪精卫、唐生智等的激烈辩论和讨价还价般的反复协商，双方议定：武汉政府主席谭延闿与孙科先期赴宁，以示“宁汉之间误会已冰释”，借此安定人心；武汉政府于9月3日前迁往南京，与南京政府合并，在宁筹备召开二届四中全会，武汉改设政治分会；程潜部第六军全部东下，陈嘉祐部第十三军由赣入皖，偕同江左、江右何键及刘兴军向皖北出击，会同宁军肃清津浦南段的孙传芳和张宗昌的直鲁联军。
李宗仁九江之行，已稳住了汉方，避免了两面受敌。但这时孙军渡江已经开始，汉方援兵来不及到达，南京危在旦夕。孙传芳军主渡江点是大河口和划子口。划子口对岸便是栖霞山、乌龙山炮台，占领该处山地，一则可以掩护登陆部队，二则可以威胁南京。而且京沪铁路以东地区，田坎都成南北方向，登陆部队即可用作进攻的天然掩体。
8月24日白天，孙传芳军在兔耳矶佯渡，故布疑阵，吸引南京主力于长江上游，以掩护从下游乘虚偷渡长江。那天，正好李宗仁陪同谭延闿、孙科自九江乘兵舰去南京，途经大胜关附近，被孙传芳在那里渡江的帆船团团围困，情况万分危急。恰巧陈调元的军船从南京上驶，与李宗仁所乘兵舰协同作战，连谭延闿也持枪瞄准射击，才将孙军击退。
李宗仁抵达南京，首先命令第十九军肃清在兔耳矶渡江的孙军，又指令夏威将驻南京近郊的总预备队8个团，调往乌龙山后方集结，准备应援。25日夜，孙军乘驻守阵地的第一军部队正在换防之机，在八卦洲、十二圩等处向燕子矶及镇江等地偷渡成功。夏威部队刚到，忽遇北军，仓促应战，失去炮台4座，死守其余3座。拂晓后弄清了敌情，此时援兵到达，开始反攻。到中午时，将所丢失的炮台全部夺回，乘势向东扫荡，克复了栖霞山，交还第一军防守，夏威第七军仍回原防。
26日，孙军击溃第一军第二十二师，占领龙潭车站及栖霞山、乌龙山部分阵地。第一军全部向南京后撤，孙军跟踪追击，绕出乌龙山右侧，有包围夏威第七军之势。李宗仁见情况紧急，电令夏威自乌龙山阵地向东出击，夺回栖霞山一部分阵地。26日，孙、夏两军在栖霞山麓一带高地反复冲杀一昼夜，双方寸土必争。战场上炮火弥漫，双方死伤惨重，尸体狼藉。激战到27日清晨，栖霞山麓一带高地全被夏部攻克。孙传芳残军退据山顶，死守待援；夏部将栖霞山合围。栖霞山坡峻岩高，攀登不易，而孙军残部数千人，困兽犹斗，居高临下，枪炮和檑石滚木兼用。夏部师长李明瑞看硬攻困难，亲自率领敢死队，攀藤附木，奋勇冲锋，终于收复栖霞山，山上几千北军俯首就擒。据李宗仁回忆，当李明瑞率队冲锋时，长江中正好有几艘英国军舰停泊观战。见孙军退到山顶，形势危急。为挽救孙军，英舰竟不顾国际公法，向半山上的夏威部军队开炮，一时间炮声隆隆，烟雾蔽天，整个栖霞山被烟雾笼罩。山顶孙军视界不清，射击效果反而很差。李明瑞于是乘烟幕一跃登顶。
白崇禧则回忆说，海军与孙军互相炮击，恰好有一英国军舰经过江中，也遭到炮击。英舰不知是哪一方发的炮，为了泄愤，就猛烈地炮击黄龙山（实即栖霞山阵地），孙军阵地多半被毁，第七军才能乘势冲上山顶。到此为止，在乌龙、栖霞一带渡江的孙军被全部歼灭。
龙潭正在激战时，何应钦不顾南京的安危和人心的涣散，准备率领所部向杭州方向撤退。李宗仁发现这一动向，亲往何应钦总指挥部探视。他见何的部下正在搬运行李，就对何说：“首都存亡所系，你不能一走了事！”见何还在迟疑不决，李宗仁辞色俱厉地说：“敬公，你真要走，我可对你不客气了！”然后他又劝何应钦说：“你的军队不能打，让我的军队来打，好吗?我们生要生在一起，死也要死在一起。你绝不能离开南京！在这紧要关头，你一走，必然影响民心军心，南京就守不住了。”李宗仁的竭诚恳求，使何应钦也感到事态严重，无可推诿，只好同意与第七军协力御敌，命令第一军停止退却，准备反攻。
当栖霞争夺战正在激烈进行之时，龙潭也被孙军占领，镇江、高资之间，也有大批孙军南渡，高、镇、京、沪间的铁路及电讯交通全部断绝。25日晚，白崇禧从上海返回南京途中，被阻于无锡、镇江之间。白崇禧知南京战事紧张，临危不乱，在无锡就地指挥，电令驻京沪路东段的第一军第14师师长卫立煌率部向龙潭反攻，同时电令正在从常州开往杭州的第一军第2师刘峙，回师往援。
26日晨，被逐出龙潭火车站的孙军仍据守江边，掩护大批北军渡江，再行反扑。白崇禧马上从无锡乘车赶往镇江，命令沪杭路的第一军第1、3、21等师星夜驰援，谁知援军未到，龙潭于8月28日晚再度失守，栖霞山也同时为孙军再次攻占。在这紧急关头，李宗仁督率第七军与第十九军再次夺回栖霞山，并以军委会名义致电白崇禧，约定日期东西两面同时夹攻龙潭的孙军。
29日晚，何应钦部第一军的王俊、顾祝同、陈诚的第1、3、21等师援军均已到达龙潭附近。30日拂晓，李、白、何三路军实行全线反攻。李部第七军的第1、3两师和第十九军的第1、2两师在夏威和胡宗铎指挥之下，从栖霞山向东进攻，沿铁路及江边前进，目标为龙潭、镇江及青龙山、黄龙山的孙军阵地。何应钦指挥第一军的第2、22、14师的一部，从东阳镇出发，会攻龙潭。
此时，孙军已渡江的部队，和栖霞山等地溃败下来的残部，都聚集到龙潭一带，计其兵力，有孙传芳联军的第二、四、七、八、九、十、十一、十二、十三、十四等师，及第十五、二十七、二十九、补充第一各混成旅，约达6万余人。依据龙潭以西的黄龙山、以南的青龙山、虎头山，和东西的大石山、雷台山等险隘，编成坚固不拔的根据地，严阵以待，进可以攻，退可以守。孙传芳驻节水泥厂，亲自督战。其悍将李宝章、上官云相、梁鸿恩、崔锦桂、段承泽、郑俊彦等都在龙潭前线指挥。由于这次南犯为孤注一掷之举，孙决心破釜沉舟，背水为战，故下令将所有运兵南渡的船只一律调回，开往北岸，统由长江北岸的大刀队看管，以示有进无退。可是当南京各军一发动反攻，孙军就支持不住，放弃龙潭，退守山隘，陷于三面被围的困境。
对南京方面来说，这一仗也为存亡所系，对李宗仁来说尤其如此，倘若兵败，不要说日后逐鹿中原，就连广西老家也回不了，所以他横下一条心，要与孙军作殊死战。龙潭战役开战后，双方均以主力拼杀，打得崖裂土翻，日月变色。龙潭周围几十里地，炮火连天，烟尘蔽日。当时，海军总司令杨树庄态度不明，白崇禧主动打电话给杨，装作若无其事，不但对杨丝毫不加责备，反而对他诸多激励。白告诉杨树庄，北军已占龙潭，命他开出舰队，守住渡江口，切断孙军后援和退路。白并强调：“孙之势力终必被歼，海军如不努力，将来一定要追究责任。”在白的压力下，杨树庄派出通济舰到镇江，但作战仍不甚积极。于是白派潘宜之在镇江带了一班宪兵登舰，押了舰长李世甲向龙潭开去，从背后炮击孙军。其他军舰见通济舰出击，也纷纷行动起来，孙部的后援被截断。结果杨树庄和李、白共同作战到底。
这样，白崇禧由东而来的增援与李宗仁、何应钦指挥所部对龙潭的反攻，形成夹击之势，然而也遭到了孙传芳军强大而顽强的抗击。孙传芳军还反攻为守，进行全线逆袭。“龙潭周围数十里地，炮火蔽天，血肉模糊。战斗的惨烈，实为笔墨所难形容。”直至8月30日午后，由于孙传芳军的渡江航线被南京政府军的海军截断，后援不继，渐渐不支，乃退山隘。北伐军从三面对孙军形成合围之势，但孙传芳军，居高临下，继续顽抗，以百余挺机枪扼守山险。北伐军各部往上仰攻，死伤众多，但士气旺盛，至下午3时占领各重要山隘。孙传芳军仓皇向江岸撤退。下午5时，龙潭终于被夺回。
31日清晨，退到江边的孙军组织最后一次反扑，来势极为猛烈。此时白崇禧、何应钦已抵达龙潭督战，孙军死伤惨重，企图退却。来自东、西两面的北伐军合力进逼，将其压到长江南岸边，不及渡江的4万多孙军被包围缴械。孙传芳仓皇登上小汽艇逃命，收容残部五六千人，逃回徐州，所部“十万大军”大部被歼。降兵押解南京时，分四路纵队前进，排头已抵南京城郊，排尾尚在龙潭。孙传芳此次倾巢南犯，血战七昼夜，全军覆没。经此打击，从此绝无再起可能。
龙潭战役之时，正值蒋介石下野之后，南京政局混乱、人心浮动之际，李宗仁、白崇禧以伤亡8000多人的代价，力挽危难，打败孙传芳，大获全胜。对于龙潭战役的胜利，事隔几十年后，白崇禧在回忆录中说：“龙潭之役在北伐大业中是最重要一仗，因为胜利了才能西征消灭唐生智之反动力量，才能迁都南京，稳定国政治局面，促使徘徊观望之友军加入革命行列——如阎锡山之北方军在龙潭战役前便与革命军有联络，但畏于奉军迟迟不敢明白表示态度。龙潭战役之胜利对奉军是一大威胁。阎鉴于革命之趋势，很快便附和了革命军。如果龙潭之役失败，不但江、浙、闽、赣、皖五省重归孙传芳，唐生智之势力一定高涨，其他抱游离态度之友军，更远离革命军。如此，革命军能否再回广东重整旗鼓，便是一大问题。所以说，龙潭之役是北伐大业成败极大之关键。”
对于此役，不少国民党元老印象犹为深刻，于右任老先生曾写一联：东南一战无余敌，党国千年重此辞。谭延闿亦有联相赠与白崇禧：指挥能事回天地，学语小儿知姓名。江岸撤退。
9月2日，南京军事委员会下令肃清江南残敌，同时命令十八军杨杰、四十军贺耀祖、三十三军柏文蔚等分头渡江追击。随即占领浦口、扬州等江北要地。