1921年底，孙中山进驻桂林，拟从这里取道湖南北伐，推翻北洋军阀的统治，实现全国统一。

12月4日，孙中山乘船到桂林市郊登岸入城。桂林市民扶老携幼挤满了街头，都来一睹孙中山的风采。7日，桂林政、军、学、商各界76个团体隆重召开了欢迎孙中山的大会。

孙中山抵达桂林后，立刻建立陆海军大元帅大本营（又称北伐军大本营），以陆海军大元帅名义宣布行使战时最高统帅职责，同时建立北伐大本营各个机构，统一北伐各军供给、训练和作战等方面的行动。

当时，会师桂林的北伐军有粤、滇、黔、赣等各路武装4万多人。12月14日，孙中山召集各路将领举行军事会议，宣布参加北伐的南方各省也都派代表参加。会议决定，北伐军分兵两路：第一路“进取赣南、鄂东”；第二路“出湖南，取道长岳”；然后两路会师武汉，直抵幽燕。随后，孙中山还命令在进军路线上“每隔六十至七十里设一兵站分处，购备军粮及各种军用物品，以便补给北伐各军”。

为了把北伐军各部组织得更严密，使之更有战斗力，孙中山把军队重新分成七个军团。为严格约束军队纪律，孙中山设立了宪兵司令部，由大本营直接调遣，派宪兵巡视、纠察各部队风纪，禁止骚扰百姓。

孙中山非常重视军队的政治教育和政治宣传工作。12月10日，驻桂林的粤、滇、赣三省军队全体军官举行欢迎大会，桂林各界代表应邀参加，孙中山即席演说《军人精神教育》，阐述了三民主义的基本观点和革命的任务，要求军人“立定决心”“同负革命责任”。为了培养军队的革命意志，他还多次围绕军人精神教育这一课题，发表阐述，要求军人做到“智”“仁”“勇”兼备，熟练掌握“命中”“隐伏”“耐劳”“走路”“吃粗”等技能。

此次孙中山北伐的重点，是直系军阀及其控制的北洋政府。为此，孙中山先后会见了段祺瑞的代表徐树铮、张作霖的代表李梦庚，希望联合各派力量共同讨伐直系军阀，“以成戡乱之功，完护法之愿”。

12月23日，共产国际代表马林在共产党人张太雷的陪同下到达桂林，和孙中山举行了多次会谈。双方就关于改组国民党、建立军官学校、扩大对群众的宣传、国共两党建立革命统一战线等事项进行了探讨。孙中山还邀请马林向北伐军军官们作了关于俄国革命的报告，并同张太雷就发动青年积极参加革命的问题进行了讨论。

孙中山不顾戎马倥偬，还抽出时间召集当地官绅，对桂林今后的开发和建设发表了许多重要意见。他指出：桂林要发展经济，改善民生，就需要引进资本，大力“筑铁路，开矿山，树农场，兴工厂”，开发旅游资源，更需要普及教育，培养人才，重视科学技术。孙中山还亲自参加桂林至全州公路的破土开工典礼，还捐资万元，补助桂林中小学的教育经费。

孙中山在桂林期间经常接见群众，并不时外出视察，体恤民情。为出行方便，他还临时雇穷苦小孩当向导。孙中山外出时，每到一处必和群众亲切谈话。桂林市民各种团体组织经常向孙中山请愿陈情，孙中山都亲自接见，并告诉大家：“人民所请愿之事，政府当尽力为人民办之。”对能解决的问题，他立即命令着手解决。一次，桂林学联组织的新中国学社负责人李文钊、李征凤等，去找孙中山募捐，孙中山亲切地接见了他们，给他们捐了一笔款，还帮助他们把一座县文庙改建为社址。

随着北伐诸事准备就绪，孙中山心情甚佳。12月31日，桂林下雪，孙中山在大本营召集各军将领举行茶话会赏雪，迎接新年。席间，他取出一个重约三四十斤的大蛋糕，由夫人宋庆龄切片，分给与会各将领共享。

1922年1月1日，孙中山宣布以“青天白日满地红”旗取代北洋政府的五色旗，并在大本营举行了升旗仪式。

随后，孙中山以大元帅的名义颁发了北伐总动员令，并举行了北伐誓师典礼。但就在此时，他接到报告说：坐镇广州的陈炯明不仅秘密勾结北洋政府，还暗杀了为北伐军调拨物资的邓铿，并煽动滇军将领唐继尧带领部分军队脱离北伐军，更唆使湖南督军赵恒惕拒绝北伐军进入湖南……对此，孙中山在大本营召开紧急军事会议，经研究决定：先行回粤震慑陈炯明，再改道北伐。4月，孙中山率部离开桂林。