民國13年當北方在直奉大戰前，南方則正由孫中山領導國民黨佈置北伐，不幸中間發生了廣州商團事變，13年10月15日商團事變平定，這時直奉戰爭已在激烈進行，迨直系失敗後，北京城換了主人，所謂的孫、段、張三角同盟自然發生了作用。
北方新興的勢力馮玉祥集團在政變後曾聯名電請孫中山北上，電云：
「中山先生大鑒：辛亥革命未竟全功，致令先生政策無由施展，今幸偕同友軍，勘定首都，此後一切建設大計，仍希先生指示。萬望速駕北來，俾親教誨是禱。馮玉祥、胡景翼、孫岳、續桐溪、劉守中、蒯定煜、凌毅、李石曾、李含芳、岳維峻、張之江、李鳴鐘、鹿鍾麟、鄧寶珊……叩。」
10月27日，孫中山在韶關電復馮玉祥等，答應北上，另一相同之電致段祺瑞，電云：
「義旗聿舉，大憝肅清。諸兄功在國家，同深慶幸。建設大計，亟應決定，擬即日北上，與諸兄晤商……」
10月30日孫中山返抵廣州，在大元帥府召集會議，討論應付北方時局的具體辦法，並決定親自北上。國民黨中央執行委員特發出秘密通告第八十六號，對同志指示：
「為通告事：此次馮玉祥、胡景翼、孫岳諸將聯合共倒曹、吳，於掃除革命障礙，關係非細。胡、孫為黨員，馮部亦多黨員在內。總理此次北上，乃應北方同志之要求，期於北方黨務之進行，有所發展，並非輕與各派講求妥協。蓋關於建國北伐之舉，政府既有命令及宣言，並建國大綱廿條之頒布，本黨復有北伐目的之宣佈，方針已定，決不游移，惟當悉力以求貫徹。但目前本黨勢力，尚未充足，掌握政權，貫徹黨綱，尚須有待。凡我同志，當及時努力於宣傳組織，以期團體日固，勢力日充，萬不可以時局小變，致搖素志，尤當隨時留心總理之言論行動，得所師承，並隨時遵依黨令，為主義而奮鬥，毋蹈紛歧零亂之習，是為至要。」
13年11月4日，孫中山命令胡漢民留守廣州，代行大元帥職權；令譚延-辦理大本營事務，主持北伐軍事，並電張作霖告以即日北上。
11月10日孫中山發表北上宣言如下：
「……故辛亥之後，吾人雖能推倒滿洲政府，曾不須臾，帝國主義者已勾結軍閥，以與國民革命為敵。務有以阻止國民革命目的之進行。十三年來，軍閥本身有新陳代謝，而其性質作用，則自袁世凱以至於曹錕、吳佩孚，如出一轍。故北伐之目的，不僅在覆滅曹、吳，尤在曹、吳覆滅之後，永無同樣繼續之人。換言之，北伐之目的，不僅在推倒軍閥，尤在推倒軍閥所賴以生存之帝國主義……
軍閥所挾持之武力，得帝國主義之援助而增其數量。此自袁世凱以來已然。然當其盛時，雖有帝國主義之羽翼，及其敗也，帝國主義亦無以救之，此其故安在？二年東南之役，袁世凱用兵，無往不利。三四年間，叛跡漸著，人心漸去。及反對帝制之兵起，終至眾叛親離，一蹶不振。七年以來，吳佩孚用兵，亦無往不利；驕氣所中，以為可以力征經營天下，……及人心已去，終至於一敗塗地而後已。猶於敗亡之餘，致電北京公使團，請求加以援助。其始終甘為帝國主義之傀儡，而不能瞭解歷史的教訓如此。由斯以言，帝國主義之援助，終不敵國民之覺悟。……吾人於此，更可得一證明：凡武力與帝國主義結合者無不敗。反之，與國民結合以速國民革命之進行者無不勝。……永絕跡於國內。其代之而興之現象，第一步使武力與國民相結合。……今日者國民之武力，固尚無可言，而武力與國民結合，則端倪已見。吾人於此，不得不努力，以期此結合之確實而有進步……
本黨根據以上理論，對於時局，主張召集國民會議，以謀中國之統一與建設。而在國民會議召集以前，主張先召集一預備會議，決定國民會議之基礎條件，及召集日期、選舉方法等事。預備會議以左列團體之代表組織之：一、現代實業團體。二、商會。三、教育會。四、大學。五、各省學生聯合會。六、工會。七、農會。八、共同反對曹吳各軍。九、政黨。……」
11月13日10時20分孫中山偕宋慶齡、李烈鈞、邵元沖、黃昌谷、朱和中、馬超俊等20餘人乘永豐艦起程，汪兆銘則先一天赴港，在港等候。胡漢民、許崇智、楊希閔、劉震寰等乘江固艦送至黃埔，由於珠江水淺阻礙航行，下午3時始抵黃埔，黃埔軍校校長，蔣中正率全體官兵登永豐艦迎孫中山登岸與黃埔軍校師生告別，這時黃埔一二期學生正在對岸的魚珠炮台一帶實施戰術演習，並作築城工作，蔣中正陪孫中山前往校閱。
孫中山在黃埔和軍校師生會晤，對於黃埔軍校的卓越成就贊勉備至，不知這時是有預感，還是下意識，在離別前竟黯然對校長蔣中正說：「我這次去北京，明知很危險，禍福難以逆料，將來能不能回來，實在不敢預測，不過北上是為了革命，是為了救國救民，雖有危險亦何所懼？何況我已五十九歲，死也可以瞑目了。」蔣中正聽了孫中山這番話，非常驚訝，因為孫中山平常最樂觀，如今卻作此語，深為不解，乃問：「先生為何今天這樣說？」孫中山答：「人總有一死，只要死得其時，倘在二三年前，我就不能死，現在有了這麼多好學生，可以完成革命工作，我死亦無憾了。」說著不勝淒惻。隨後由蔣中正在校中為孫中山餞行，下午5時50分孫中山即再登艦向香港航行。
14日晨2時孫中山所乘永豐艦抵香港，晨6時轉登日本郵船春陽丸，12時啟碇去上海，到春陽丸送行的有300餘人，爆竹喧天。16日午夜抵達吳淞口三來水停泊，17日晨9時25分乘褒爾登號小火輪在法租界公司碼頭上岸，有於右任、石青陽、戴傳賢、楊庶堪、居正、宋子文、蔣作賓、葉楚傖和段祺瑞代表光雲錦，齊燮元代表凌鐵庵等20餘人搭小火輪到吳淞口迎接，上海各界和市民則有一萬多人在碼頭歡迎。孫中山登岸後就坐汽車到莫利愛路29號寓邸休息，並在草坪上由新大陸影片公司攝制新聞影片。
19日下午3時，孫中山在寓邸舉行茶話會，招待上海新聞記者陳佈雷、潘更生、戈公振等和日本大阪《每日新聞》特派員知識真治等30人。由汪兆銘、邵元沖、葉楚傖、戴傳賢擔任招待。孫演說一個半鐘頭，宣佈時局主張，說明北上的目的，和對中國前途的展望，大意云：
中國當今禍亂的根本，乃在軍閥與援助軍閥的帝國主義者。我這次北上，有二個目的：一為召集國民會議，這是為了對付軍閥；一為廢除不平等條約，這是為了對付帝國主義者。唯有打倒這兩個禍害，中國才能和平統一，才能長治久安。我為了這兩個目的而奮鬥，處境固然非常危險，但我決不畏懼。希望全國人民能夠徹底瞭解。各位是新聞記者，也就是國民發言的領袖，盼望各位領導輿論，以為贊助，並且負起指導和喚醒民眾的責任。
這時，上海和北京之間的交通，由於軍事影響，極為困難，津浦鐵路久已不通，由上海往天津的輪船，搭客擁擠，兩個星期內的頭等船位全部預定完畢，孫中山為了要趕赴北京，乃決定由日本繞道轉赴天津，只偕宋慶齡、戴傳賢、黃昌谷，其他隨員則分別乘船以天津為會集地。11月22日，孫中山偕隨員搭日輪上海丸赴日本，離滬前日本記者採訪，孫中山對日本記者說：
「中日兩國就當前世界大勢言，非根本提攜不可，兩國人民尤應親善攜手共禦他人侵略政策。近年來中國人民對於日本頗多懷疑，此後日本上下，應切實表明對華親善政策。……
余純然以國民資格赴天津之善後會議。」
23日抵長崎，在船上接見記者和政界人士暨中國學生，24日下午抵神戶，歡迎人士達5000人，登岸下榻神戶東方飯店，各界慕名造訪的絡繹不絕，前後演講十餘次。30日離神戶，登北嶺丸前往天津。
12月4日，孫中山乘日輪北嶺丸抵大沽口，天氣很冷。孫中山隨員自上海分途北上，有汪兆銘等已先抵津，此刻乘小火輪在大沽口迎候，並登北嶺丸向孫中山報告北方政情。午12時船抵天津碼頭，在碼頭歡迎的約計2萬餘人，段祺瑞和國民軍一、二、三軍代表及各團體代表，均登船恭迎。上岸後乘馬車至日租界張園行館下榻，這個張園是天津一所有名的住宅，他的主人是清末的武昌提督軍門張彪。
這天下午張作霖派代表到張園向孫中山致候，3時，孫中山即驅軍往河北曹家花園拜訪張作霖，兩人傾談了一個多鐘頭。事後張作霖曾對汪兆銘說：「我從前以為孫先生是個很難說話的人，今天見了面才知道他是一個溫厚君子。可惜北京的各國公使都反對他，大概因為孫先生聯俄的原故，你可不可以請孫先生放棄聯俄的主張，我張作霖一定可以叫各國公使和孫先生要好的。」
張作霖本是個老粗，並不通洋務，由於東三省的特殊地位，因此也懂得運用國際關係，可是他在外交方面批評孫中山卻錯了，孫中山對國際環境和外交，當然比北洋軍閥懂得太多，張作霖說外國公使不喜歡孫中山也是事實，只因孫中山北上前即一再強調反對帝國主義，取消不平等條約。這些話對於所有的外國人都不中聽。因此孫中山的北上，在當時的外交團中，就表示不愉快的態度。段祺瑞、張作霖等這時正盼望外交團承認北京的臨時執政府，外交團則要執政府先公開表示尊重過去一切條約。這些條約就是孫中山所反對的不平等條約，在這一情勢下外交團當然對孫中山是不友好了。
孫中山生長南方，對於北方嚴寒天氣頗不習慣，到天津時，由於在船上脫帽站立太久，到張園後，又在門外照相，一再脫帽，加上長途旅行，長年辛勞，因此在拜訪張作霖後回到張園，即發冷發熱，感冒大作，肝亦覺痛，來勢甚猛。因此當晚各界在張園舉行的歡迎會就臨時取消，同時延請德國醫生石密德診治，當時醫生對於今天大家所注意的癌症尚不留心，所以只專對感冒醫治，沒有檢查肝部的毛病，孫中山服藥後，經數日調養，熱度漸退，醫生囑咐勿勞動多休息，而孫中山頗覺肝部作痛不止。6日起，病況有進步，孫中山就打算強作精神赴各地演講，經醫生勸阻才作罷。那幾天來見孫中山的人士均由孫科、汪兆銘、戴傳賢分別代見。至8日，孫中山乃抱病見客。
北方報紙對這位手創民國的偉人，倍極稱讚，且寄予莫大的企望。
孫中山在天津，對於政治情勢的發展密切重視，由於他堅決主張國家至上，民族至上，使得列強對他頗不滿意。他到天津時，法國領事竟不許他通過租界，也反對他在法租界居住。過去孫中山在廣州大元帥期間力爭關余，所以列強早懷不滿，現在他來北方路上一再強調廢除不平等條約，當然更加嫉視。北方執政府急切希望能獲得國際間的承認，而外交團則要挾北京新政府要尊重一切條約，不能任意變更。段祺瑞向現實低了頭，願意尊重列強的既得利益以換取列強承認中國的新政府。
孫、段、張三角同盟現在發生了嚴重的分裂，尤其是孫、段之間，孫中山主張廢除不平等條約，而段祺瑞的政府承認了所有的不平等條約。孫中山主張召集國民會議，段祺瑞則宣佈在執政府成立後一個月內召集善後會議，三個月內召集國民代表會議。兩位巨頭的政見距離越來越遠。
12月18日，段祺瑞特派許世英和葉恭綽到天津來歡迎孫中山赴京，並探望孫中山的病況，兩人見到孫中山先代達段氏的問候，就在病榻前報告北京的政情，孫中山詢及有關外交方面，葉恭綽說：「段執政已正式向外交團承諾，臨時執政府外崇國信。」孫中山聽了非常不快，乃問：「外崇國信，信守什麼？我們和外國之間的條約都是不平等條約，外交團要求尊重這些條約，聽說執政府已照會答允，有無其事？」葉、許兩人答稱確有其事，不過照會還沒有送出。孫勃然大怒，厲聲說：「我在外面要廢除不平等條約，你們在北京偏偏要尊重那些不平等條約，簡直太不對了，你們要陞官發財，怕外國人，尊重那些壓迫我們、剝削我們的不平等條約，為何你們又要來歡迎我呢？」葉恭綽和許世英挨了孫這麼一頓大罵，為之啞口無言，不知所對，於是很狼狽地退出。在病中的孫中山，經此一怒後，肝病大發，腫痛不已，脈搏增加到120以上，石密德醫生也束手無策。
就在這個時候，善後會議條例公佈，這是段祺瑞決心和孫中山不合作的明證，孫北上的救國抱負因之落空，加上又在病中，真是進退兩難。由於孫病況一天比一天嚴重，國民黨同志認為與其住在天津，既不適宜養病，又於國事無補，倒不如到北京療養為宜，因此娓婉地向孫報告，孫欣然應允，於是積極部署移京安排，決定以北京飯店為行轅，準備專車一輛，於12月31日由天津赴北京。當天下午4時車抵北京前門車站。
孫中山抵北京前門車站時，北京市民集聚往迎的，約有30萬人，車站前人山人海，爭睹民國偉人。孫中山雖抱重病，可是面對這個動人的場面，精神為之一爽，北京政府全體閣員、各大專學校校長、各團體代表、各機關首長都在車站歡迎，為了顧及孫病體，乃由歡迎人群推舉總代表一人登車歡迎。
孫中山下專車後就乘汽車出站，直赴北京飯店，各報記者再麇集北京飯店，孫由汪兆銘代表，與各記者見面，分發書面談話一份，內云：
「中華民國主人諸君：兄弟此來，承諸君歡迎，實在感謝。兄弟此來不是為爭地位，不是為爭權利，是特來與諸君救國的。十三年前兄弟與諸君推翻滿洲政府，為的是求中國人的自由平等。然而中國人的自由平等已被滿洲政府從不平等條約裡賣與各國了，以致我們仍然處於殖民地之地位，所以我們必要救國。關於救國的道理很長，方法也很多，成功也很容易，兄弟本想和諸君詳細的說。如今因為抱病，只好留待病好再說，如今先謝諸君的盛意。中華民國十三年十二月三十一日。孫文。」
14年1月20日以後，病勢嚴重，至24、25兩日，孫中山竟不能進飲食，一進飲食即作嘔，體溫愈高，脈搏愈快。經醫生會商結果，認為有立即移住醫院施手術的必要，因此向家屬和重要同志協商，由宋慶齡往勸他入院開刀，孫允諾。遂於下午3時以擔架移至協和醫院，醫生就過去病情和現在危急情況，決定立即開刀。下午6時施行開刀手術，在腰部割口將肝之膿吸出，檢查全肝，已經堅硬得像木頭，證實是肝癌，癌細胞已四處蔓延，無法割治。當晚由德、美、俄三國醫生切片檢查，亦證明是癌症的末期，以當時的醫療情形而論，確實無藥可治，雖可以鐳錠放射法以阻止癌細胞繼續蔓延，可是一切都顯示為時已晚。29日醫生報告孫中山體溫正常，脈搏和緩，這證明開刀後經過良好，不過癌病本身仍難醫治。
2月初旬仍使用鐳錠治療，但效果不大。
2月12日，張靜江建議改服中藥，中藥有時對於很多奇怪的病狀發生不可思議的效果，人們在絕望時便寄希望於萬一。宋慶齡和孫科及侍疾同志都請孫中山准予改用中醫。孫認為在協和醫院吃中藥是不可以的，如果必須用中藥，唯有遷出醫院。18日孫自協和醫院移居鐵獅子胡同行轅，由名中醫陸仲安診視。
2月20日，孫中山病篤，醫生認為挽救的希望很微，不如趁他還清醒的時候，請示遺言，於是隨孫的同志遂推汪兆銘、孫科、宋子文、孔祥熙代表，面懇孫。這時孫雖然一息奄奄，可是神智很清楚，見到汪等四同志在病榻旁欲言又止，乃問：「你們有什麼話要對我說，不妨說吧！」汪兆銘委婉地說：「當一月二十六日先生進住協和醫院時，同志們都責備我們，為什麼不請先生留下一點教誨，以資遵循。先生如果早日康痊，這些教誨也是我們的典範，先生雖然有力量抵抗病魔，我們也願意替先生分憂，今天先生精神頗好，正該留下一些教誨，讓同志們受用。」孫中山聽了閉上眼睛，沉默了一會，然後睜目鄭重地說：「如果我的病痊癒，我要說的話很多，待我先赴溫泉休養，靜靜的想一想，以後再講給你們，萬一我死了，就由你們去做吧。」四同志復請，並強調國民黨正遭遇一個變局，如果黨的領袖沒有一個指導方針，大家很難有所抉擇。孫中山聽了默然良久說：「我現在要說的話很多，本黨周圍都是敵人，我死之後，這些敵人不會放過你們的，他們或許使用其他方法使你們軟化，前途確是危險，我不說也好，因為如此你們較容易應付未來的環境。」說完這話似乎很吃力，這時汪兆銘貼近孫病塌說：「我們追隨先生奮鬥數十年，從不畏懼危險，也從不讓敵人軟化。凡是革命同志都能遵從先生的教訓，不會逃避危險和死亡。先生教導我們這麼多年，定能信任我們。」孫中山閉目聽，並說：「我著的書不是很多嗎？各同志可以好好唸唸。」汪答：「我們還是求先生留幾句話下來。」孫中山問：「你們要我說些什麼？你們有沒有替我考慮？」汪說：「我們已經預備了一份稿子，請先生核定，現在我念給先生聽，如果不合您的意思，就請您指示數語，我可筆記。」孫睜開眼睛說：「好，就念給我聽吧。」
汪兆銘就把已草就的稿子念了出來，這就是我們大家所熟知的孫中山遺囑，孫聽完極為滿意。汪等又拿出第二稿，是留給家人的，由宋子文向孫報告，並由汪兆銘念：
「余因盡瘁國事，不治家產。其所遺之書籍、衣物、住宅等，一切均付吾妻慶齡以為紀念。余之兒女已長成，能自立，望各自愛，以繼余志。此囑。」
孫中山亦感滿意，汪兆銘本想開門出取筆墨請孫簽字，這時宋慶齡在房外哭得很厲害，孫聽到了哭聲，乃對汪說：「你先收好，我還不至於就死，改天再簽字吧！」
孫中山在服中藥期間，神志頗清楚，不過病狀並沒有減輕，3月1日，曾請留日醫生王綸用日本最新發明的治肺癰藥水，每隔一天注射一次。
當孫中山最後彌留期間，神志並不模糊，體溫也照舊，每睡醒，就垂詢東江討逆戰事進展情況，侍病的同志向孫報告說黃埔學生軍已加入右翼作戰，每戰皆捷，已配合粵軍進向潮汕。孫聞之大喜，命令致電嘉獎。3月10日停止注射針藥水，11日病危。中午孫忽然張目遍視床前的家屬和各同志，並說：「我現在要和你們分別了，把前次預備的兩張稿子拿來，我要簽字。」汪兆銘遵諭將二遺囑稿並墨水筆呈上，孫伸出了病弱的手臂，執筆在遺囑稿上逐一簽名。隨後由侍疾的家屬和同志：宋慶齡、孫科、張人傑、吳敬恆、汪兆銘、宋子文、孔祥熙、戴恩賽、邵元沖、戴傳賢、鄒魯、陳友仁、何香凝依次簽字為證明人，汪兆銘則署筆記者。
病室中空氣肅穆而沉靜，孫中山雖然病弱，眼中仍然有神，以安靜溫煦的口吻做最後的遺言，孫說：
「我這次放棄兩廣，直上北京，為了謀求全國的和平統一。統一的方法是召開國民會議，實行三民主義和五權憲法，建設新國家。現在一病不起，將和你們永訣，生死本無所惜，不過數十年致力國民革命，革命的目標和主義不能完全實現，深為遺憾。甚望諸同志努力奮鬥，使國民會議早日開成，三民主義和五權憲法的目的能早日實現，則我在九泉之下，也能瞑目了。」
孫說至此處，感情激動，而呼吸則益感困難，由於說話太多，精神不繼，以致下面的話便說不清楚，只聽到微弱的聲音：「和平、奮鬥、救中國。」
醫生認為病人太辛苦，不宜再消耗精力，乃請侍疾人士退出，讓孫中山靜默安眠，至晚6時半，孫中山又甦醒一次，手足已經變冷，且已不能講話。醫生按脈後認為脈已散，行將去世，須時注意。這時孫似乎又作欲語狀，宋慶齡聽出來是呼喚汪兆銘，乃叫汪到床前，汪靠近孫病榻，發現孫的脈搏已如游絲，只見嘴動，不能言語了。
第二天早晨3時，孫中山再甦醒一次，仍不能言語，8時許克利醫生臨床診視，認為已至最後關頭，延至9時30分，遂告逝世。一代偉人，手創中華民國的孫中山終於民國14年3月12日上午9時半與世長辭，留下一個紛亂的中國等待統一。
北京政府於3月12日下令云：
「前臨時大總統孫文，倡導共和，肇興中夏。辛亥之役，功成不居。仍於國計民生，殫心擘畫，宏謀毅力，薄海同欽。本執政夙慕耆勳，亟資匡濟，就職伊始，敦勸入都。方期克享遐齡，共籌國是。天胡不愍，遽奪元勳！軫念艱虞，彌深愴悼。所有飾終典禮，著內務部詳加擬議，務極優隆，用符國家崇德報功之至意。此令。」
執政府的內務部並議決予以國葬，全國各機關下半旗三日誌哀，北京公使團亦下半旗，全國各地聞知孫中山去世，自動舉哀，萬民雨泣。
在北京鐵獅子胡同的孫中山行轅內，國民黨留京同志含哀開會，討論治喪事宜，孫的家屬遵照遺示，遺體施以防腐劑，用科學方法保存。
12日12時30分，孫中山遺體移至協和醫院施用防腐手術。國民黨中央執行委員會在京委員開會，決議葬儀用國民體制以示平等，並拒絕臨時政府的國葬令，同時遵孫中山遺命，以南京紫金山為安葬地。至15日防腐手術完竣，遂舉行大殮，家屬及追隨他多年的同志均親視含殮。靈堂內外哭聲震天。
3月19日孫中山靈柩移至中央公園社稷壇，這天清晨群眾已紛集協和醫院門外，至10時許靈櫬出發，舉樞者為追隨孫日久的同志24人，分三組，每組八人前後舁挽，沿途民眾及青年護靈致哀者約計12萬人，均步行送靈櫬至中央公園內社稷壇安放，擇日開吊。
4月2日上午，孫中山靈柩安置於北京西山碧雲寺。
孫中山之喪，海內外致送輓聯極多，不及備錄，只是孫的叛徒陳炯明有一輓聯，頗可一讀，聯曰：
惟英雄能活人殺人，功首罪魁，留得青史在；
與故交曾一戰再戰，公情私誼，全憑赤心知。
陳炯明在民國22年8月22日以腸炎病死香港，終年55歲，死後家無長物，貧難為殮。陳在孫中山病逝前已痛悔反叛孫中山，曾請吳稚暉代作悔過書，未及送達，孫去世。陳死後，吳稚暉有輓聯追述其事：
一身外竟無長物，青史留傳，足見英雄有價；
十年前所索悔書，黃泉送達，定邀師弟如初。