民国13年当北方在直奉大战前，南方则正由孙中山领导国民党布置北伐，不幸中间发生了广州商团事变，13年10月15日商团事变平定，这时直奉战争已在激烈进行，迨直系失败后，北京城换了主人，所谓的孙、段、张三角同盟自然发生了作用。
北方新兴的势力冯玉祥集团在政变后曾联名电请孙中山北上，电云：
“中山先生大鉴：辛亥革命未竟全功，致令先生政策无由施展，今幸偕同友军，勘定首都，此后一切建设大计，仍希先生指示。万望速驾北来，俾亲教诲是祷。冯玉祥、胡景翼、孙岳、续桐溪、刘守中、蒯定煜、凌毅、李石曾、李含芳、岳维峻、张之江、李鸣钟、鹿钟麟、邓宝珊……叩。”
10月27日，孙中山在韶关电复冯玉祥等，答应北上，另一相同之电致段祺瑞，电云：
“义旗聿举，大憝肃清。诸兄功在国家，同深庆幸。建设大计，亟应决定，拟即日北上，与诸兄晤商……”
10月30日孙中山返抵广州，在大元帅府召集会议，讨论应付北方时局的具体办法，并决定亲自北上。国民党中央执行委员特发出秘密通告第八十六号，对同志指示：
“为通告事：此次冯玉祥、胡景翼、孙岳诸将联合共倒曹、吴，于扫除革命障碍，关系非细。胡、孙为党员，冯部亦多党员在内。总理此次北上，乃应北方同志之要求，期于北方党务之进行，有所发展，并非轻与各派讲求妥协。盖关于建国北伐之举，政府既有命令及宣言，并建国大纲廿条之颁布，本党复有北伐目的之宣布，方针已定，决不游移，惟当悉力以求贯彻。但目前本党势力，尚未充足，掌握政权，贯彻党纲，尚须有待。凡我同志，当及时努力于宣传组织，以期团体日固，势力日充，万不可以时局小变，致摇素志，尤当随时留心总理之言论行动，得所师承，并随时遵依党令，为主义而奋斗，毋蹈纷歧零乱之习，是为至要。”
13年11月4日，孙中山命令胡汉民留守广州，代行大元帅职权；令谭延闿办理大本营事务，主持北伐军事，并电张作霖告以即日北上。
11月10日孙中山发表北上宣言如下：
“……故辛亥之后，吾人虽能推倒满洲政府，曾不须臾，帝国主义者已勾结军阀，以与国民革命为敌。务有以阻止国民革命目的之进行。十三年来，军阀本身有新陈代谢，而其性质作用，则自袁世凯以至于曹锟、吴佩孚，如出一辙。故北伐之目的，不仅在覆灭曹、吴，尤在曹、吴覆灭之后，永无同样继续之人。换言之，北伐之目的，不仅在推倒军阀，尤在推倒军阀所赖以生存之帝国主义……
军阀所挟持之武力，得帝国主义之援助而增其数量。此自袁世凯以来已然。然当其盛时，虽有帝国主义之羽翼，及其败也，帝国主义亦无以救之，此其故安在？二年东南之役，袁世凯用兵，无往不利。三四年间，叛迹渐著，人心渐去。及反对帝制之兵起，终至众叛亲离，一蹶不振。七年以来，吴佩孚用兵，亦无往不利；骄气所中，以为可以力征经营天下，……及人心已去，终至于一败涂地而后已。犹于败亡之余，致电北京公使团，请求加以援助。其始终甘为帝国主义之傀儡，而不能了解历史的教训如此。由斯以言，帝国主义之援助，终不敌国民之觉悟。……吾人于此，更可得一证明：凡武力与帝国主义结合者无不败。反之，与国民结合以速国民革命之进行者无不胜。……永绝迹于国内。其代之而兴之现象，第一步使武力与国民相结合。……今日者国民之武力，固尚无可言，而武力与国民结合，则端倪已见。吾人于此，不得不努力，以期此结合之确实而有进步……
本党根据以上理论，对于时局，主张召集国民会议，以谋中国之统一与建设。而在国民会议召集以前，主张先召集一预备会议，决定国民会议之基础条件，及召集日期、选举方法等事。预备会议以左列团体之代表组织之：一、现代实业团体。二、商会。三、教育会。四、大学。五、各省学生联合会。六、工会。七、农会。八、共同反对曹吴各军。九、政党。……”
11月13日10时20分孙中山偕宋庆龄、李烈钧、邵元冲、黄昌谷、朱和中、马超俊等20余人乘永丰舰起程，汪兆铭则先一天赴港，在港等候。胡汉民、许崇智、杨希闵、刘震寰等乘江固舰送至黄埔，由于珠江水浅阻碍航行，下午3时始抵黄埔，黄埔军校校长，蒋中正率全体官兵登永丰舰迎孙中山登岸与黄埔军校师生告别，这时黄埔一二期学生正在对岸的鱼珠炮台一带实施战术演习，并作筑城工作，蒋中正陪孙中山前往校阅。
孙中山在黄埔和军校师生会晤，对于黄埔军校的卓越成就赞勉备至，不知这时是有预感，还是下意识，在离别前竟黯然对校长蒋中正说：“我这次去北京，明知很危险，祸福难以逆料，将来能不能回来，实在不敢预测，不过北上是为了革命，是为了救国救民，虽有危险亦何所惧？何况我已五十九岁，死也可以瞑目了。”蒋中正听了孙中山这番话，非常惊讶，因为孙中山平常最乐观，如今却作此语，深为不解，乃问：“先生为何今天这样说？”孙中山答：“人总有一死，只要死得其时，倘在二三年前，我就不能死，现在有了这么多好学生，可以完成革命工作，我死亦无憾了。”说着不胜凄恻。随后由蒋中正在校中为孙中山饯行，下午5时50分孙中山即再登舰向香港航行。
14日晨2时孙中山所乘永丰舰抵香港，晨6时转登日本邮船春阳丸，12时启碇去上海，到春阳丸送行的有300余人，爆竹喧天。16日午夜抵达吴淞口三来水停泊，17日晨9时25分乘褒尔登号小火轮在法租界公司码头上岸，有于右任、石青阳、戴传贤、杨庶堪、居正、宋子文、蒋作宾、叶楚伧和段祺瑞代表光云锦，齐燮元代表凌铁庵等20余人搭小火轮到吴淞口迎接，上海各界和市民则有一万多人在码头欢迎。孙中山登岸后就坐汽车到莫利爱路29号寓邸休息，并在草坪上由新大陆影片公司摄制新闻影片。
19日下午3时，孙中山在寓邸举行茶话会，招待上海新闻记者陈布雷、潘更生、戈公振等和日本大阪《每日新闻》特派员知识真治等30人。由汪兆铭、邵元冲、叶楚伧、戴传贤担任招待。孙演说一个半钟头，宣布时局主张，说明北上的目的，和对中国前途的展望，大意云：
中国当今祸乱的根本，乃在军阀与援助军阀的帝国主义者。我这次北上，有二个目的：一为召集国民会议，这是为了对付军阀；一为废除不平等条约，这是为了对付帝国主义者。唯有打倒这两个祸害，中国才能和平统一，才能长治久安。我为了这两个目的而奋斗，处境固然非常危险，但我决不畏惧。希望全国人民能够彻底了解。各位是新闻记者，也就是国民发言的领袖，盼望各位领导舆论，以为赞助，并且负起指导和唤醒民众的责任。
这时，上海和北京之间的交通，由于军事影响，极为困难，津浦铁路久已不通，由上海往天津的轮船，搭客拥挤，两个星期内的头等船位全部预定完毕，孙中山为了要赶赴北京，乃决定由日本绕道转赴天津，只偕宋庆龄、戴传贤、黄昌谷，其他随员则分别乘船以天津为会集地。11月22日，孙中山偕随员搭日轮上海丸赴日本，离沪前日本记者采访，孙中山对日本记者说：
“中日两国就当前世界大势言，非根本提携不可，两国人民尤应亲善携手共御他人侵略政策。近年来中国人民对于日本颇多怀疑，此后日本上下，应切实表明对华亲善政策。……
余纯然以国民资格赴天津之善后会议。”
23日抵长崎，在船上接见记者和政界人士暨中国学生，24日下午抵神户，欢迎人士达5000人，登岸下榻神户东方饭店，各界慕名造访的络绎不绝，前后演讲十余次。30日离神户，登北岭丸前往天津。
12月4日，孙中山乘日轮北岭丸抵大沽口，天气很冷。孙中山随员自上海分途北上，有汪兆铭等已先抵津，此刻乘小火轮在大沽口迎候，并登北岭丸向孙中山报告北方政情。午12时船抵天津码头，在码头欢迎的约计2万余人，段祺瑞和国民军一、二、三军代表及各团体代表，均登船恭迎。上岸后乘马车至日租界张园行馆下榻，这个张园是天津一所有名的住宅，他的主人是清末的武昌提督军门张彪。
这天下午张作霖派代表到张园向孙中山致候，3时，孙中山即驱军往河北曹家花园拜访张作霖，两人倾谈了一个多钟头。事后张作霖曾对汪兆铭说：“我从前以为孙先生是个很难说话的人，今天见了面才知道他是一个温厚君子。可惜北京的各国公使都反对他，大概因为孙先生联俄的原故，你可不可以请孙先生放弃联俄的主张，我张作霖一定可以叫各国公使和孙先生要好的。”
张作霖本是个老粗，并不通洋务，由于东三省的特殊地位，因此也懂得运用国际关系，可是他在外交方面批评孙中山却错了，孙中山对国际环境和外交，当然比北洋军阀懂得太多，张作霖说外国公使不喜欢孙中山也是事实，只因孙中山北上前即一再强调反对帝国主义，取消不平等条约。这些话对于所有的外国人都不中听。因此孙中山的北上，在当时的外交团中，就表示不愉快的态度。段祺瑞、张作霖等这时正盼望外交团承认北京的临时执政府，外交团则要执政府先公开表示尊重过去一切条约。这些条约就是孙中山所反对的不平等条约，在这一情势下外交团当然对孙中山是不友好了。
孙中山生长南方，对于北方严寒天气颇不习惯，到天津时，由于在船上脱帽站立太久，到张园后，又在门外照相，一再脱帽，加上长途旅行，长年辛劳，因此在拜访张作霖后回到张园，即发冷发热，感冒大作，肝亦觉痛，来势甚猛。因此当晚各界在张园举行的欢迎会就临时取消，同时延请德国医生石密德诊治，当时医生对于今天大家所注意的癌症尚不留心，所以只专对感冒医治，没有检查肝部的毛病，孙中山服药后，经数日调养，热度渐退，医生嘱咐勿劳动多休息，而孙中山颇觉肝部作痛不止。6日起，病况有进步，孙中山就打算强作精神赴各地演讲，经医生劝阻才作罢。那几天来见孙中山的人士均由孙科、汪兆铭、戴传贤分别代见。至8日，孙中山乃抱病见客。
北方报纸对这位手创民国的伟人，倍极称赞，且寄予莫大的企望。
孙中山在天津，对于政治情势的发展密切重视，由于他坚决主张国家至上，民族至上，使得列强对他颇不满意。他到天津时，法国领事竟不许他通过租界，也反对他在法租界居住。过去孙中山在广州大元帅期间力争关余，所以列强早怀不满，现在他来北方路上一再强调废除不平等条约，当然更加嫉视。北方执政府急切希望能获得国际间的承认，而外交团则要挟北京新政府要尊重一切条约，不能任意变更。段祺瑞向现实低了头，愿意尊重列强的既得利益以换取列强承认中国的新政府。
孙、段、张三角同盟现在发生了严重的分裂，尤其是孙、段之间，孙中山主张废除不平等条约，而段祺瑞的政府承认了所有的不平等条约。孙中山主张召集国民会议，段祺瑞则宣布在执政府成立后一个月内召集善后会议，三个月内召集国民代表会议。两位巨头的政见距离越来越远。
12月18日，段祺瑞特派许世英和叶恭绰到天津来欢迎孙中山赴京，并探望孙中山的病况，两人见到孙中山先代达段氏的问候，就在病榻前报告北京的政情，孙中山询及有关外交方面，叶恭绰说：“段执政已正式向外交团承诺，临时执政府外崇国信。”孙中山听了非常不快，乃问：“外崇国信，信守什么？我们和外国之间的条约都是不平等条约，外交团要求尊重这些条约，听说执政府已照会答允，有无其事？”叶、许两人答称确有其事，不过照会还没有送出。孙勃然大怒，厉声说：“我在外面要废除不平等条约，你们在北京偏偏要尊重那些不平等条约，简直太不对了，你们要升官发财，怕外国人，尊重那些压迫我们、剥削我们的不平等条约，为何你们又要来欢迎我呢？”叶恭绰和许世英挨了孙这么一顿大骂，为之哑口无言，不知所对，于是很狼狈地退出。在病中的孙中山，经此一怒后，肝病大发，肿痛不已，脉搏增加到120以上，石密德医生也束手无策。
就在这个时候，善后会议条例公布，这是段祺瑞决心和孙中山不合作的明证，孙北上的救国抱负因之落空，加上又在病中，真是进退两难。由于孙病况一天比一天严重，国民党同志认为与其住在天津，既不适宜养病，又于国事无补，倒不如到北京疗养为宜，因此娓婉地向孙报告，孙欣然应允，于是积极部署移京安排，决定以北京饭店为行辕，准备专车一辆，于12月31日由天津赴北京。当天下午4时车抵北京前门车站。
孙中山抵北京前门车站时，北京市民集聚往迎的，约有30万人，车站前人山人海，争睹民国伟人。孙中山虽抱重病，可是面对这个动人的场面，精神为之一爽，北京政府全体阁员、各大专学校校长、各团体代表、各机关首长都在车站欢迎，为了顾及孙病体，乃由欢迎人群推举总代表一人登车欢迎。
孙中山下专车后就乘汽车出站，直赴北京饭店，各报记者再麇集北京饭店，孙由汪兆铭代表，与各记者见面，分发书面谈话一份，内云：
“中华民国主人诸君：兄弟此来，承诸君欢迎，实在感谢。兄弟此来不是为争地位，不是为争权利，是特来与诸君救国的。十三年前兄弟与诸君推翻满洲政府，为的是求中国人的自由平等。然而中国人的自由平等已被满洲政府从不平等条约里卖与各国了，以致我们仍然处于殖民地之地位，所以我们必要救国。关于救国的道理很长，方法也很多，成功也很容易，兄弟本想和诸君详细的说。如今因为抱病，只好留待病好再说，如今先谢诸君的盛意。中华民国十三年十二月三十一日。孙文。”
14年1月20日以后，病势严重，至24、25两日，孙中山竟不能进饮食，一进饮食即作呕，体温愈高，脉搏愈快。经医生会商结果，认为有立即移住医院施手术的必要，因此向家属和重要同志协商，由宋庆龄往劝他入院开刀，孙允诺。遂于下午3时以担架移至协和医院，医生就过去病情和现在危急情况，决定立即开刀。下午6时施行开刀手术，在腰部割口将肝之脓吸出，检查全肝，已经坚硬得像木头，证实是肝癌，癌细胞已四处蔓延，无法割治。当晚由德、美、俄三国医生切片检查，亦证明是癌症的末期，以当时的医疗情形而论，确实无药可治，虽可以镭锭放射法以阻止癌细胞继续蔓延，可是一切都显示为时已晚。29日医生报告孙中山体温正常，脉搏和缓，这证明开刀后经过良好，不过癌病本身仍难医治。
2月初旬仍使用镭锭治疗，但效果不大。
2月12日，张静江建议改服中药，中药有时对于很多奇怪的病状发生不可思议的效果，人们在绝望时便寄希望于万一。宋庆龄和孙科及侍疾同志都请孙中山准予改用中医。孙认为在协和医院吃中药是不可以的，如果必须用中药，唯有迁出医院。18日孙自协和医院移居铁狮子胡同行辕，由名中医陆仲安诊视。
2月20日，孙中山病笃，医生认为挽救的希望很微，不如趁他还清醒的时候，请示遗言，于是随孙的同志遂推汪兆铭、孙科、宋子文、孔祥熙代表，面恳孙。这时孙虽然一息奄奄，可是神智很清楚，见到汪等四同志在病榻旁欲言又止，乃问：“你们有什么话要对我说，不妨说吧！”汪兆铭委婉地说：“当一月二十六日先生进住协和医院时，同志们都责备我们，为什么不请先生留下一点教诲，以资遵循。先生如果早日康痊，这些教诲也是我们的典范，先生虽然有力量抵抗病魔，我们也愿意替先生分忧，今天先生精神颇好，正该留下一些教诲，让同志们受用。”孙中山听了闭上眼睛，沉默了一会，然后睁目郑重地说：“如果我的病痊愈，我要说的话很多，待我先赴温泉休养，静静的想一想，以后再讲给你们，万一我死了，就由你们去做吧。”四同志复请，并强调国民党正遭遇一个变局，如果党的领袖没有一个指导方针，大家很难有所抉择。孙中山听了默然良久说：“我现在要说的话很多，本党周围都是敌人，我死之后，这些敌人不会放过你们的，他们或许使用其他方法使你们软化，前途确是危险，我不说也好，因为如此你们较容易应付未来的环境。”说完这话似乎很吃力，这时汪兆铭贴近孙病塌说：“我们追随先生奋斗数十年，从不畏惧危险，也从不让敌人软化。凡是革命同志都能遵从先生的教训，不会逃避危险和死亡。先生教导我们这么多年，定能信任我们。”孙中山闭目听，并说：“我著的书不是很多吗？各同志可以好好念念。”汪答：“我们还是求先生留几句话下来。”孙中山问：“你们要我说些什么？你们有没有替我考虑？”汪说：“我们已经预备了一份稿子，请先生核定，现在我念给先生听，如果不合您的意思，就请您指示数语，我可笔记。”孙睁开眼睛说：“好，就念给我听吧。”
汪兆铭就把已草就的稿子念了出来，这就是我们大家所熟知的孙中山遗嘱，孙听完极为满意。汪等又拿出第二稿，是留给家人的，由宋子文向孙报告，并由汪兆铭念：
“余因尽瘁国事，不治家产。其所遗之书籍、衣物、住宅等，一切均付吾妻庆龄以为纪念。余之儿女已长成，能自立，望各自爱，以继余志。此嘱。”
孙中山亦感满意，汪兆铭本想开门出取笔墨请孙签字，这时宋庆龄在房外哭得很厉害，孙听到了哭声，乃对汪说：“你先收好，我还不至于就死，改天再签字吧！”
孙中山在服中药期间，神志颇清楚，不过病状并没有减轻，3月1日，曾请留日医生王纶用日本最新发明的治肺痈药水，每隔一天注射一次。
当孙中山最后弥留期间，神志并不模糊，体温也照旧，每睡醒，就垂询东江讨逆战事进展情况，侍病的同志向孙报告说黄埔学生军已加入右翼作战，每战皆捷，已配合粤军进向潮汕。孙闻之大喜，命令致电嘉奖。3月10日停止注射针药水，11日病危。中午孙忽然张目遍视床前的家属和各同志，并说：“我现在要和你们分别了，把前次预备的两张稿子拿来，我要签字。”汪兆铭遵谕将二遗嘱稿并墨水笔呈上，孙伸出了病弱的手臂，执笔在遗嘱稿上逐一签名。随后由侍疾的家属和同志：宋庆龄、孙科、张人杰、吴敬恒、汪兆铭、宋子文、孔祥熙、戴恩赛、邵元冲、戴传贤、邹鲁、陈友仁、何香凝依次签字为证明人，汪兆铭则署笔记者。
病室中空气肃穆而沉静，孙中山虽然病弱，眼中仍然有神，以安静温煦的口吻做最后的遗言，孙说：
“我这次放弃两广，直上北京，为了谋求全国的和平统一。统一的方法是召开国民会议，实行三民主义和五权宪法，建设新国家。现在一病不起，将和你们永诀，生死本无所惜，不过数十年致力国民革命，革命的目标和主义不能完全实现，深为遗憾。甚望诸同志努力奋斗，使国民会议早日开成，三民主义和五权宪法的目的能早日实现，则我在九泉之下，也能瞑目了。”
孙说至此处，感情激动，而呼吸则益感困难，由于说话太多，精神不继，以致下面的话便说不清楚，只听到微弱的声音：“和平、奋斗、救中国。”
医生认为病人太辛苦，不宜再消耗精力，乃请侍疾人士退出，让孙中山静默安眠，至晚6时半，孙中山又苏醒一次，手足已经变冷，且已不能讲话。医生按脉后认为脉已散，行将去世，须时注意。这时孙似乎又作欲语状，宋庆龄听出来是呼唤汪兆铭，乃叫汪到床前，汪靠近孙病榻，发现孙的脉搏已如游丝，只见嘴动，不能言语了。
第二天早晨3时，孙中山再苏醒一次，仍不能言语，8时许克利医生临床诊视，认为已至最后关头，延至9时30分，遂告逝世。一代伟人，手创中华民国的孙中山终于民国14年3月12日上午9时半与世长辞，留下一个纷乱的中国等待统一。
北京政府于3月12日下令云：
“前临时大总统孙文，倡导共和，肇兴中夏。辛亥之役，功成不居。仍于国计民生，殚心擘画，宏谋毅力，薄海同钦。本执政夙慕耆勋，亟资匡济，就职伊始，敦劝入都。方期克享遐龄，共筹国是。天胡不愍，遽夺元勋！轸念艰虞，弥深怆悼。所有饰终典礼，着内务部详加拟议，务极优隆，用符国家崇德报功之至意。此令。”
执政府的内务部并议决予以国葬，全国各机关下半旗三日志哀，北京公使团亦下半旗，全国各地闻知孙中山去世，自动举哀，万民雨泣。
在北京铁狮子胡同的孙中山行辕内，国民党留京同志含哀开会，讨论治丧事宜，孙的家属遵照遗示，遗体施以防腐剂，用科学方法保存。
12日12时30分，孙中山遗体移至协和医院施用防腐手术。国民党中央执行委员会在京委员开会，决议葬仪用国民体制以示平等，并拒绝临时政府的国葬令，同时遵孙中山遗命，以南京紫金山为安葬地。至15日防腐手术完竣，遂举行大殓，家属及追随他多年的同志均亲视含殓。灵堂内外哭声震天。
3月19日孙中山灵柩移至中央公园社稷坛，这天清晨群众已纷集协和医院门外，至10时许灵榇出发，举枢者为追随孙日久的同志24人，分三组，每组八人前后舁挽，沿途民众及青年护灵致哀者约计12万人，均步行送灵榇至中央公园内社稷坛安放，择日开吊。
4月2日上午，孙中山灵柩安置于北京西山碧云寺。
孙中山之丧，海内外致送挽联极多，不及备录，只是孙的叛徒陈炯明有一挽联，颇可一读，联曰：
惟英雄能活人杀人，功首罪魁，留得青史在；
与故交曾一战再战，公情私谊，全凭赤心知。
陈炯明在民国22年8月22日以肠炎病死香港，终年55岁，死后家无长物，贫难为殓。陈在孙中山病逝前已痛悔反叛孙中山，曾请吴稚晖代作悔过书，未及送达，孙去世。陈死后，吴稚晖有挽联追述其事：
一身外竟无长物，青史留传，足见英雄有价；
十年前所索悔书，黄泉送达，定邀师弟如初。
北方新兴的势力冯玉祥集团在政变后曾联名电请孙中山北上，电云：
“中山先生大鉴：辛亥革命未竟全功，致令先生政策无由施展，今幸偕同友军，勘定首都，此后一切建设大计，仍希先生指示。万望速驾北来，俾亲教诲是祷。冯玉祥、胡景翼、孙岳、续桐溪、刘守中、蒯定煜、凌毅、李石曾、李含芳、岳维峻、张之江、李鸣钟、鹿钟麟、邓宝珊……叩。”
10月27日，孙中山在韶关电复冯玉祥等，答应北上，另一相同之电致段祺瑞，电云：
“义旗聿举，大憝肃清。诸兄功在国家，同深庆幸。建设大计，亟应决定，拟即日北上，与诸兄晤商……”
10月30日孙中山返抵广州，在大元帅府召集会议，讨论应付北方时局的具体办法，并决定亲自北上。国民党中央执行委员特发出秘密通告第八十六号，对同志指示：
“为通告事：此次冯玉祥、胡景翼、孙岳诸将联合共倒曹、吴，于扫除革命障碍，关系非细。胡、孙为党员，冯部亦多党员在内。总理此次北上，乃应北方同志之要求，期于北方党务之进行，有所发展，并非轻与各派讲求妥协。盖关于建国北伐之举，政府既有命令及宣言，并建国大纲廿条之颁布，本党复有北伐目的之宣布，方针已定，决不游移，惟当悉力以求贯彻。但目前本党势力，尚未充足，掌握政权，贯彻党纲，尚须有待。凡我同志，当及时努力于宣传组织，以期团体日固，势力日充，万不可以时局小变，致摇素志，尤当随时留心总理之言论行动，得所师承，并随时遵依党令，为主义而奋斗，毋蹈纷歧零乱之习，是为至要。”
13年11月4日，孙中山命令胡汉民留守广州，代行大元帅职权；令谭延闿办理大本营事务，主持北伐军事，并电张作霖告以即日北上。
11月10日孙中山发表北上宣言如下：
“……故辛亥之后，吾人虽能推倒满洲政府，曾不须臾，帝国主义者已勾结军阀，以与国民革命为敌。务有以阻止国民革命目的之进行。十三年来，军阀本身有新陈代谢，而其性质作用，则自袁世凯以至于曹锟、吴佩孚，如出一辙。故北伐之目的，不仅在覆灭曹、吴，尤在曹、吴覆灭之后，永无同样继续之人。换言之，北伐之目的，不仅在推倒军阀，尤在推倒军阀所赖以生存之帝国主义……
军阀所挟持之武力，得帝国主义之援助而增其数量。此自袁世凯以来已然。然当其盛时，虽有帝国主义之羽翼，及其败也，帝国主义亦无以救之，此其故安在？二年东南之役，袁世凯用兵，无往不利。三四年间，叛迹渐著，人心渐去。及反对帝制之兵起，终至众叛亲离，一蹶不振。七年以来，吴佩孚用兵，亦无往不利；骄气所中，以为可以力征经营天下，……及人心已去，终至于一败涂地而后已。犹于败亡之余，致电北京公使团，请求加以援助。其始终甘为帝国主义之傀儡，而不能了解历史的教训如此。由斯以言，帝国主义之援助，终不敌国民之觉悟。……吾人于此，更可得一证明：凡武力与帝国主义结合者无不败。反之，与国民结合以速国民革命之进行者无不胜。……永绝迹于国内。其代之而兴之现象，第一步使武力与国民相结合。……今日者国民之武力，固尚无可言，而武力与国民结合，则端倪已见。吾人于此，不得不努力，以期此结合之确实而有进步……
本党根据以上理论，对于时局，主张召集国民会议，以谋中国之统一与建设。而在国民会议召集以前，主张先召集一预备会议，决定国民会议之基础条件，及召集日期、选举方法等事。预备会议以左列团体之代表组织之：一、现代实业团体。二、商会。三、教育会。四、大学。五、各省学生联合会。六、工会。七、农会。八、共同反对曹吴各军。九、政党。……”
11月13日10时20分孙中山偕宋庆龄、李烈钧、邵元冲、黄昌谷、朱和中、马超俊等20余人乘永丰舰起程，汪兆铭则先一天赴港，在港等候。胡汉民、许崇智、杨希闵、刘震寰等乘江固舰送至黄埔，由于珠江水浅阻碍航行，下午3时始抵黄埔，黄埔军校校长，蒋中正率全体官兵登永丰舰迎孙中山登岸与黄埔军校师生告别，这时黄埔一二期学生正在对岸的鱼珠炮台一带实施战术演习，并作筑城工作，蒋中正陪孙中山前往校阅。
孙中山在黄埔和军校师生会晤，对于黄埔军校的卓越成就赞勉备至，不知这时是有预感，还是下意识，在离别前竟黯然对校长蒋中正说：“我这次去北京，明知很危险，祸福难以逆料，将来能不能回来，实在不敢预测，不过北上是为了革命，是为了救国救民，虽有危险亦何所惧？何况我已五十九岁，死也可以瞑目了。”蒋中正听了孙中山这番话，非常惊讶，因为孙中山平常最乐观，如今却作此语，深为不解，乃问：“先生为何今天这样说？”孙中山答：“人总有一死，只要死得其时，倘在二三年前，我就不能死，现在有了这么多好学生，可以完成革命工作，我死亦无憾了。”说着不胜凄恻。随后由蒋中正在校中为孙中山饯行，下午5时50分孙中山即再登舰向香港航行。
14日晨2时孙中山所乘永丰舰抵香港，晨6时转登日本邮船春阳丸，12时启碇去上海，到春阳丸送行的有300余人，爆竹喧天。16日午夜抵达吴淞口三来水停泊，17日晨9时25分乘褒尔登号小火轮在法租界公司码头上岸，有于右任、石青阳、戴传贤、杨庶堪、居正、宋子文、蒋作宾、叶楚伧和段祺瑞代表光云锦，齐燮元代表凌铁庵等20余人搭小火轮到吴淞口迎接，上海各界和市民则有一万多人在码头欢迎。孙中山登岸后就坐汽车到莫利爱路29号寓邸休息，并在草坪上由新大陆影片公司摄制新闻影片。
19日下午3时，孙中山在寓邸举行茶话会，招待上海新闻记者陈布雷、潘更生、戈公振等和日本大阪《每日新闻》特派员知识真治等30人。由汪兆铭、邵元冲、叶楚伧、戴传贤担任招待。孙演说一个半钟头，宣布时局主张，说明北上的目的，和对中国前途的展望，大意云：
中国当今祸乱的根本，乃在军阀与援助军阀的帝国主义者。我这次北上，有二个目的：一为召集国民会议，这是为了对付军阀；一为废除不平等条约，这是为了对付帝国主义者。唯有打倒这两个祸害，中国才能和平统一，才能长治久安。我为了这两个目的而奋斗，处境固然非常危险，但我决不畏惧。希望全国人民能够彻底了解。各位是新闻记者，也就是国民发言的领袖，盼望各位领导舆论，以为赞助，并且负起指导和唤醒民众的责任。
这时，上海和北京之间的交通，由于军事影响，极为困难，津浦铁路久已不通，由上海往天津的轮船，搭客拥挤，两个星期内的头等船位全部预定完毕，孙中山为了要赶赴北京，乃决定由日本绕道转赴天津，只偕宋庆龄、戴传贤、黄昌谷，其他随员则分别乘船以天津为会集地。11月22日，孙中山偕随员搭日轮上海丸赴日本，离沪前日本记者采访，孙中山对日本记者说：
“中日两国就当前世界大势言，非根本提携不可，两国人民尤应亲善携手共御他人侵略政策。近年来中国人民对于日本颇多怀疑，此后日本上下，应切实表明对华亲善政策。……
余纯然以国民资格赴天津之善后会议。”
23日抵长崎，在船上接见记者和政界人士暨中国学生，24日下午抵神户，欢迎人士达5000人，登岸下榻神户东方饭店，各界慕名造访的络绎不绝，前后演讲十余次。30日离神户，登北岭丸前往天津。
12月4日，孙中山乘日轮北岭丸抵大沽口，天气很冷。孙中山随员自上海分途北上，有汪兆铭等已先抵津，此刻乘小火轮在大沽口迎候，并登北岭丸向孙中山报告北方政情。午12时船抵天津码头，在码头欢迎的约计2万余人，段祺瑞和国民军一、二、三军代表及各团体代表，均登船恭迎。上岸后乘马车至日租界张园行馆下榻，这个张园是天津一所有名的住宅，他的主人是清末的武昌提督军门张彪。
这天下午张作霖派代表到张园向孙中山致候，3时，孙中山即驱军往河北曹家花园拜访张作霖，两人倾谈了一个多钟头。事后张作霖曾对汪兆铭说：“我从前以为孙先生是个很难说话的人，今天见了面才知道他是一个温厚君子。可惜北京的各国公使都反对他，大概因为孙先生联俄的原故，你可不可以请孙先生放弃联俄的主张，我张作霖一定可以叫各国公使和孙先生要好的。”
张作霖本是个老粗，并不通洋务，由于东三省的特殊地位，因此也懂得运用国际关系，可是他在外交方面批评孙中山却错了，孙中山对国际环境和外交，当然比北洋军阀懂得太多，张作霖说外国公使不喜欢孙中山也是事实，只因孙中山北上前即一再强调反对帝国主义，取消不平等条约。这些话对于所有的外国人都不中听。因此孙中山的北上，在当时的外交团中，就表示不愉快的态度。段祺瑞、张作霖等这时正盼望外交团承认北京的临时执政府，外交团则要执政府先公开表示尊重过去一切条约。这些条约就是孙中山所反对的不平等条约，在这一情势下外交团当然对孙中山是不友好了。
孙中山生长南方，对于北方严寒天气颇不习惯，到天津时，由于在船上脱帽站立太久，到张园后，又在门外照相，一再脱帽，加上长途旅行，长年辛劳，因此在拜访张作霖后回到张园，即发冷发热，感冒大作，肝亦觉痛，来势甚猛。因此当晚各界在张园举行的欢迎会就临时取消，同时延请德国医生石密德诊治，当时医生对于今天大家所注意的癌症尚不留心，所以只专对感冒医治，没有检查肝部的毛病，孙中山服药后，经数日调养，热度渐退，医生嘱咐勿劳动多休息，而孙中山颇觉肝部作痛不止。6日起，病况有进步，孙中山就打算强作精神赴各地演讲，经医生劝阻才作罢。那几天来见孙中山的人士均由孙科、汪兆铭、戴传贤分别代见。至8日，孙中山乃抱病见客。
北方报纸对这位手创民国的伟人，倍极称赞，且寄予莫大的企望。
孙中山在天津，对于政治情势的发展密切重视，由于他坚决主张国家至上，民族至上，使得列强对他颇不满意。他到天津时，法国领事竟不许他通过租界，也反对他在法租界居住。过去孙中山在广州大元帅期间力争关余，所以列强早怀不满，现在他来北方路上一再强调废除不平等条约，当然更加嫉视。北方执政府急切希望能获得国际间的承认，而外交团则要挟北京新政府要尊重一切条约，不能任意变更。段祺瑞向现实低了头，愿意尊重列强的既得利益以换取列强承认中国的新政府。
孙、段、张三角同盟现在发生了严重的分裂，尤其是孙、段之间，孙中山主张废除不平等条约，而段祺瑞的政府承认了所有的不平等条约。孙中山主张召集国民会议，段祺瑞则宣布在执政府成立后一个月内召集善后会议，三个月内召集国民代表会议。两位巨头的政见距离越来越远。
12月18日，段祺瑞特派许世英和叶恭绰到天津来欢迎孙中山赴京，并探望孙中山的病况，两人见到孙中山先代达段氏的问候，就在病榻前报告北京的政情，孙中山询及有关外交方面，叶恭绰说：“段执政已正式向外交团承诺，临时执政府外崇国信。”孙中山听了非常不快，乃问：“外崇国信，信守什么？我们和外国之间的条约都是不平等条约，外交团要求尊重这些条约，听说执政府已照会答允，有无其事？”叶、许两人答称确有其事，不过照会还没有送出。孙勃然大怒，厉声说：“我在外面要废除不平等条约，你们在北京偏偏要尊重那些不平等条约，简直太不对了，你们要升官发财，怕外国人，尊重那些压迫我们、剥削我们的不平等条约，为何你们又要来欢迎我呢？”叶恭绰和许世英挨了孙这么一顿大骂，为之哑口无言，不知所对，于是很狼狈地退出。在病中的孙中山，经此一怒后，肝病大发，肿痛不已，脉搏增加到120以上，石密德医生也束手无策。
就在这个时候，善后会议条例公布，这是段祺瑞决心和孙中山不合作的明证，孙北上的救国抱负因之落空，加上又在病中，真是进退两难。由于孙病况一天比一天严重，国民党同志认为与其住在天津，既不适宜养病，又于国事无补，倒不如到北京疗养为宜，因此娓婉地向孙报告，孙欣然应允，于是积极部署移京安排，决定以北京饭店为行辕，准备专车一辆，于12月31日由天津赴北京。当天下午4时车抵北京前门车站。
孙中山抵北京前门车站时，北京市民集聚往迎的，约有30万人，车站前人山人海，争睹民国伟人。孙中山虽抱重病，可是面对这个动人的场面，精神为之一爽，北京政府全体阁员、各大专学校校长、各团体代表、各机关首长都在车站欢迎，为了顾及孙病体，乃由欢迎人群推举总代表一人登车欢迎。
孙中山下专车后就乘汽车出站，直赴北京饭店，各报记者再麇集北京饭店，孙由汪兆铭代表，与各记者见面，分发书面谈话一份，内云：
“中华民国主人诸君：兄弟此来，承诸君欢迎，实在感谢。兄弟此来不是为争地位，不是为争权利，是特来与诸君救国的。十三年前兄弟与诸君推翻满洲政府，为的是求中国人的自由平等。然而中国人的自由平等已被满洲政府从不平等条约里卖与各国了，以致我们仍然处于殖民地之地位，所以我们必要救国。关于救国的道理很长，方法也很多，成功也很容易，兄弟本想和诸君详细的说。如今因为抱病，只好留待病好再说，如今先谢诸君的盛意。中华民国十三年十二月三十一日。孙文。”
14年1月20日以后，病势严重，至24、25两日，孙中山竟不能进饮食，一进饮食即作呕，体温愈高，脉搏愈快。经医生会商结果，认为有立即移住医院施手术的必要，因此向家属和重要同志协商，由宋庆龄往劝他入院开刀，孙允诺。遂于下午3时以担架移至协和医院，医生就过去病情和现在危急情况，决定立即开刀。下午6时施行开刀手术，在腰部割口将肝之脓吸出，检查全肝，已经坚硬得像木头，证实是肝癌，癌细胞已四处蔓延，无法割治。当晚由德、美、俄三国医生切片检查，亦证明是癌症的末期，以当时的医疗情形而论，确实无药可治，虽可以镭锭放射法以阻止癌细胞继续蔓延，可是一切都显示为时已晚。29日医生报告孙中山体温正常，脉搏和缓，这证明开刀后经过良好，不过癌病本身仍难医治。
2月初旬仍使用镭锭治疗，但效果不大。
2月12日，张静江建议改服中药，中药有时对于很多奇怪的病状发生不可思议的效果，人们在绝望时便寄希望于万一。宋庆龄和孙科及侍疾同志都请孙中山准予改用中医。孙认为在协和医院吃中药是不可以的，如果必须用中药，唯有迁出医院。18日孙自协和医院移居铁狮子胡同行辕，由名中医陆仲安诊视。
2月20日，孙中山病笃，医生认为挽救的希望很微，不如趁他还清醒的时候，请示遗言，于是随孙的同志遂推汪兆铭、孙科、宋子文、孔祥熙代表，面恳孙。这时孙虽然一息奄奄，可是神智很清楚，见到汪等四同志在病榻旁欲言又止，乃问：“你们有什么话要对我说，不妨说吧！”汪兆铭委婉地说：“当一月二十六日先生进住协和医院时，同志们都责备我们，为什么不请先生留下一点教诲，以资遵循。先生如果早日康痊，这些教诲也是我们的典范，先生虽然有力量抵抗病魔，我们也愿意替先生分忧，今天先生精神颇好，正该留下一些教诲，让同志们受用。”孙中山听了闭上眼睛，沉默了一会，然后睁目郑重地说：“如果我的病痊愈，我要说的话很多，待我先赴温泉休养，静静的想一想，以后再讲给你们，万一我死了，就由你们去做吧。”四同志复请，并强调国民党正遭遇一个变局，如果党的领袖没有一个指导方针，大家很难有所抉择。孙中山听了默然良久说：“我现在要说的话很多，本党周围都是敌人，我死之后，这些敌人不会放过你们的，他们或许使用其他方法使你们软化，前途确是危险，我不说也好，因为如此你们较容易应付未来的环境。”说完这话似乎很吃力，这时汪兆铭贴近孙病塌说：“我们追随先生奋斗数十年，从不畏惧危险，也从不让敌人软化。凡是革命同志都能遵从先生的教训，不会逃避危险和死亡。先生教导我们这么多年，定能信任我们。”孙中山闭目听，并说：“我著的书不是很多吗？各同志可以好好念念。”汪答：“我们还是求先生留几句话下来。”孙中山问：“你们要我说些什么？你们有没有替我考虑？”汪说：“我们已经预备了一份稿子，请先生核定，现在我念给先生听，如果不合您的意思，就请您指示数语，我可笔记。”孙睁开眼睛说：“好，就念给我听吧。”
汪兆铭就把已草就的稿子念了出来，这就是我们大家所熟知的孙中山遗嘱，孙听完极为满意。汪等又拿出第二稿，是留给家人的，由宋子文向孙报告，并由汪兆铭念：
“余因尽瘁国事，不治家产。其所遗之书籍、衣物、住宅等，一切均付吾妻庆龄以为纪念。余之儿女已长成，能自立，望各自爱，以继余志。此嘱。”
孙中山亦感满意，汪兆铭本想开门出取笔墨请孙签字，这时宋庆龄在房外哭得很厉害，孙听到了哭声，乃对汪说：“你先收好，我还不至于就死，改天再签字吧！”
孙中山在服中药期间，神志颇清楚，不过病状并没有减轻，3月1日，曾请留日医生王纶用日本最新发明的治肺痈药水，每隔一天注射一次。
当孙中山最后弥留期间，神志并不模糊，体温也照旧，每睡醒，就垂询东江讨逆战事进展情况，侍病的同志向孙报告说黄埔学生军已加入右翼作战，每战皆捷，已配合粤军进向潮汕。孙闻之大喜，命令致电嘉奖。3月10日停止注射针药水，11日病危。中午孙忽然张目遍视床前的家属和各同志，并说：“我现在要和你们分别了，把前次预备的两张稿子拿来，我要签字。”汪兆铭遵谕将二遗嘱稿并墨水笔呈上，孙伸出了病弱的手臂，执笔在遗嘱稿上逐一签名。随后由侍疾的家属和同志：宋庆龄、孙科、张人杰、吴敬恒、汪兆铭、宋子文、孔祥熙、戴恩赛、邵元冲、戴传贤、邹鲁、陈友仁、何香凝依次签字为证明人，汪兆铭则署笔记者。
病室中空气肃穆而沉静，孙中山虽然病弱，眼中仍然有神，以安静温煦的口吻做最后的遗言，孙说：
“我这次放弃两广，直上北京，为了谋求全国的和平统一。统一的方法是召开国民会议，实行三民主义和五权宪法，建设新国家。现在一病不起，将和你们永诀，生死本无所惜，不过数十年致力国民革命，革命的目标和主义不能完全实现，深为遗憾。甚望诸同志努力奋斗，使国民会议早日开成，三民主义和五权宪法的目的能早日实现，则我在九泉之下，也能瞑目了。”
孙说至此处，感情激动，而呼吸则益感困难，由于说话太多，精神不继，以致下面的话便说不清楚，只听到微弱的声音：“和平、奋斗、救中国。”
医生认为病人太辛苦，不宜再消耗精力，乃请侍疾人士退出，让孙中山静默安眠，至晚6时半，孙中山又苏醒一次，手足已经变冷，且已不能讲话。医生按脉后认为脉已散，行将去世，须时注意。这时孙似乎又作欲语状，宋庆龄听出来是呼唤汪兆铭，乃叫汪到床前，汪靠近孙病榻，发现孙的脉搏已如游丝，只见嘴动，不能言语了。
第二天早晨3时，孙中山再苏醒一次，仍不能言语，8时许克利医生临床诊视，认为已至最后关头，延至9时30分，遂告逝世。一代伟人，手创中华民国的孙中山终于民国14年3月12日上午9时半与世长辞，留下一个纷乱的中国等待统一。
北京政府于3月12日下令云：
“前临时大总统孙文，倡导共和，肇兴中夏。辛亥之役，功成不居。仍于国计民生，殚心擘画，宏谋毅力，薄海同钦。本执政夙慕耆勋，亟资匡济，就职伊始，敦劝入都。方期克享遐龄，共筹国是。天胡不愍，遽夺元勋！轸念艰虞，弥深怆悼。所有饰终典礼，着内务部详加拟议，务极优隆，用符国家崇德报功之至意。此令。”
执政府的内务部并议决予以国葬，全国各机关下半旗三日志哀，北京公使团亦下半旗，全国各地闻知孙中山去世，自动举哀，万民雨泣。
在北京铁狮子胡同的孙中山行辕内，国民党留京同志含哀开会，讨论治丧事宜，孙的家属遵照遗示，遗体施以防腐剂，用科学方法保存。
12日12时30分，孙中山遗体移至协和医院施用防腐手术。国民党中央执行委员会在京委员开会，决议葬仪用国民体制以示平等，并拒绝临时政府的国葬令，同时遵孙中山遗命，以南京紫金山为安葬地。至15日防腐手术完竣，遂举行大殓，家属及追随他多年的同志均亲视含殓。灵堂内外哭声震天。
3月19日孙中山灵柩移至中央公园社稷坛，这天清晨群众已纷集协和医院门外，至10时许灵榇出发，举枢者为追随孙日久的同志24人，分三组，每组八人前后舁挽，沿途民众及青年护灵致哀者约计12万人，均步行送灵榇至中央公园内社稷坛安放，择日开吊。
4月2日上午，孙中山灵柩安置于北京西山碧云寺。
孙中山之丧，海内外致送挽联极多，不及备录，只是孙的叛徒陈炯明有一挽联，颇可一读，联曰：
惟英雄能活人杀人，功首罪魁，留得青史在；
与故交曾一战再战，公情私谊，全凭赤心知。
陈炯明在民国22年8月22日以肠炎病死香港，终年55岁，死后家无长物，贫难为殓。陈在孙中山病逝前已痛悔反叛孙中山，曾请吴稚晖代作悔过书，未及送达，孙去世。陈死后，吴稚晖有挽联追述其事：
一身外竟无长物，青史留传，足见英雄有价；
十年前所索悔书，黄泉送达，定邀师弟如初。
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