经过一段时间的观望，1927年6月6日，阎锡山接受南京政府的任命，宣布就任“国民革命军北方总司令”，易帜拥蒋。与此同时，军事形势发生变化——奉系张学良部在河南将吴佩孚的势力击溃，冯玉祥部由西安向潼关以外活动，蒋介石指挥的国民革命军由湖北向河南推进，张学良遂向北撤退。之前，阎锡山面临两难选择，不得不对奉张虚与委蛇，如今底牌既已亮出，先发制人，主动出击就成为必要的了。有鉴于此，徐永昌力主当机立断，向奉军出击。稳妥起见，他先请杨爱源切实与阎锡山说明出击奉军之利，见阎锡山犹豫不决，随即，又亲函劝之。岂料，阎锡山已经接受蒋介石的电令：待南京方面攻占徐州后，分兵陇海，形成侧击京汉线态势，再行出兵。不便单独倒奉。先发制人不能实行，退而求其次，徐永昌得到阎锡山的允许，出兵井陉，屏蔽山西东大门，预设前沿阵地。张学良退过滹沱河，布防于沙河之线。按照徐永昌的设想，倒奉的良机虽然失去，然而与奉张一战如箭在弦，只是一个时间问题。八九月间，阎锡山为出击奉军之事召集高级军事会议，徐永昌应邀出席，与会的还有杨爱源、孙楚、周玳等。会上徐永昌与阎锡山意见分歧，他认为出击时机已过，必俟南军进至陇海线方可再出;阎锡山则迫于与奉军作战的态势已经形成，双方军队已呈箭拔驽张之势，不能再等，认为出击之机正至，决定即刻发动。9月29日，阎锡山发表讨奉通电，晋军(称为“北方国民革命军”)各部从指定位置向奉军发起进攻，晋军杨爱源部三师出获鹿，徐永昌所部由井径出平山，合为一路，向北攻击。 讨奉军事起初进展顺利，不到一周时间，左路军前锋王靖国师轻取张家口、万全，李生达师占领宣化;右路的国民第三军与晋军联合部队在扫除滹沱河敌方前进阵地后，分别进至行唐和东长寿之线，再经过一次突破攻击，占领望都、定州。与此同时，冯玉祥所属各部在陇海、津浦两线也发起进攻，奉军陷入两线作战的境地。10月10日，张作霖调整部署，在津浦路取守势，集中优势兵力于西线。晋军深入敌后，腹背受敌，优势变为劣势，不得不全线后撤。这时阎锡山尚在东长寿前线指挥。

    正当晋军开始全线后撤之际，徐永昌因见杨效欧师后部正向西行，说是向曲阳龙泉关去，又知杨爱源、周玳、杨效欧等其时业已西去，急令参谋追截。随即，亲自驰骑往邀之，说以：“除原由龙泉关出之丰(玉玺)傅(存怀)两部仍回龙泉外，其余应悉转行唐，向平山、获鹿撤退。否则阎先生轻车驻东长寿，正太路空虚，奉军数日可进太原，君等将安所归?且入龙泉则所有野炮皆须委敌，将来如何应敌?此固末节，但亦不可不虑。”杨爱源、周玳等恍然大悟，遂接受徐永昌之建议，命令所部各循旧路回师。前线晋军除傅作义部被困涿州外，悉数安全撤退。紧急关头，徐永昌不避嫌疑反客为主，处置得当，使晋军避免了一场可能发生的危机。阎锡山感佩徐永昌的军事才能，特电约徐永昌到井陉晤，委之以东路指挥大权，第三军仍以客军待遇。徐永昌在推辞不掉的情况下，正式接受三晋军符，就任北方国民革命军东路总指挥。

    在徐永昌接受指挥东路军事的任务时，阎锡山主张毅然决然放弃前方，保守井陉山地，认为只有这样才能坚固部署阵地，保得东路无虞。徐永昌则觉得井陉山阵地，一点准备也没有，山虽险峻而寒冷异常，人稀地阔，少饮水、无燃料，不经部署，遽然退守山地，反而很难，虽有险要，亦用不上。故主张“留少半兵力固守前方，拼死也要拼的能先守前方，非待后方布置妥当，不往回撤。因此且能使后方军队容易整顿。总而言之，井陉山地虽然险要，不经部署则绝不能守，一处有失，全盘坚守均失。”于是，在徐永昌的坚持下，杨效欧的一个师被留在了前方。阎锡山起初认为晋军不长于野战，离开井陉山地非常危险。这样做是冒险，其结果可能会白白送掉一个师。然而，后来的事实是，凭借上述防御体系一直维持了三四个月，奉军因天寒地冻及其它事故未能大举进攻，徐永昌则利用这三四个月的时间，不仅将井陉山山地工事筑好，运煤、积雪水，一切都从容准备就绪。而且在井陉矿场积极炼了三四个月的焦炭运回太原，解了焦炭供应不足的燃眉之急。待到次年二三月间，奉军开始大举进攻时，在前方略予周旋，一夜之间，即退到井陉山，进入阵地。在撤离井陉时有一趣事不能不记：徐永昌在井陉屯兵三四个月，集存了一大批干草备用，临走时兵站主张放火烧掉，他说：“烧草无非怕敌人利用，实则敌人的牲畜宁将人民的饭吃了亦不会挨饿。”所以下令好好保护，并在各草堆前竖立木牌，写明留草不烧，以备奉军来用，三个月后假如你们用不完撤退时，亦请勿烧掉。同时派专人守草，防止老百姓放火。4月，徐永昌率部反攻到井陉时，真的尚有若干干草留下。一切如他所料。

    1928年1月4日，蒋介石于下野四个月后，复任国民革命军总司令。2月28日，南京国民政府军事委员会统一北伐军序列，准备继续北伐。晋军改编为第三集团军，徐永昌旗下的北方国民革命军东路军改称第三集团军右翼军，徐永昌续任该部指挥，主要作战任务为出井陉，抢先攻占石家庄及其以南的元氏、高邑，控制京汉路，切断石南奉军主力北归之路。4月初，在二四集团军逐渐北上在形势下，三集团军发起反攻，徐永昌的右翼军首先突破奉军防线(二三月间奉军发起的进攻持续了几个回合，不能动摇晋军阵地，双方便呈对峙状态)，一击之下，敌即退过滹沱河，再次进攻即打到望都。5月31日，进入保定，兵逼京畿。正当徐永昌率部打到保定城，以国民第三军的名义布告安民之际，突然接到孙岳在上海病逝的电报。同时接阎锡山命令，驻守保定。随即，阎锡山北上亦到达保定。

    1927年底，孙岳从太原赴上海治病，完全脱离第三军(此前一直随军行动，先五原，再神府，再汾阳)。不久之前，徐永昌在望都前线曾收到孙岳的亲笔信，说：“阎公亲自东出，弟将何以自处，似宜始终与之结合，否则孤立也。”对第三军的出路预先做了交待。到了保定，孙岳已死。徐永昌思前想后，决定正式加入晋系。在徐永昌的主动要求下，北伐胜利后，所部国民第三军正式加入晋军序列，编为第三军，徐永昌任军长。

    1928年7月，蒋冯阎李同到北京告祭孙中山，北伐战争结束。当时南方领袖在北京演讲，指着皇宫黄琉璃瓦，说是满人压迫汉人的血迹。使满人甚至其他北方人产生意外感想。北方冯阎等握有兵权，如何妥善解决统一问题尚不好说。日本对华虎视眈眈。蒋介石郑重其事地约永昌到一个饭店，征求他对国家问题的意见：“次宸兄在北方很久，对整个国家问题，有何意见?”永昌说：“说起话来，总须关顾人心，江南常说的那套话，过河以后是应当加以纠正的，否则便会得到不良的影响。第二，政府仍以建都北京为好。万一政府非在南京不可，亦应将军事学校设在北方。阎先生与冯先生这两大势力，不分即合。分是国家实力的对消，合则国家或且多事。政府建都北京，最能解决这二势力之分合，裨其均有中心可向。故万一政府不能在北方，亦应将亦应将军事学校设在北方。此有二点好处：其一，我们的外患在北方，训练军官的地方亦以在北方为切实用：其二，蒋先生可藉此训练学生，常来与阎冯在一起，感情融洽，国家力量可以团结。这是我对国家问题的意见。”蒋首肯者再。