1927年率部改投山西军阀阎锡山并参于北伐。后先后出任绥远省、河北省政府主席。1931年被国民政府任命为山西省政府主席。1937年赴南京任国民政府军事委员会办公厅主任,七七卢沟桥事变后被任命为委员长保定行营主任,负责指挥中日战争第一战区抗日作战任务,同年稍后回南京任军令部部长。在职时因贡献而于1943年获授青天白日勋章。1945年日军投降时,代表中华民国政府在日本东京湾美舰密苏里号参加盟军受降仪式。翌年任陆军大学校长。1948年任国防部部长,并于次年率陆军大学师生随国民政府迁往台湾。至台湾后,曾任台湾当局总统府资政,其后获晋升为陆军一级上将军衔。1959年病逝于台北市,享年72岁。著有《徐永昌日记》(1989年在台出版)。