阎锡山向奉军发动的第一次进攻，虽然以全线撤退而告终，并损失了5000余人，但它却打乱了奉军南进的计划，对奉军也予以了重大创伤。奉军被晋绥军右路部队“缴械约两师”，特别是傅作义攻占涿州后的苦守三月，更具意义，由于涿州在北京、保定之间，对京汉、京绥两线的奉军造成很大威胁，迫使奉军不得不集结重兵，力争夺回，这样就牵制了奉军大量兵力，不但使守退山西的晋绥军在军事上减轻了压力，而且对于正在河南与奉军作战的冯玉祥部，以及渡江北上，分向津浦、运河两路并进的北伐军第一、二两集团主力部队，也间接地起到了很大的支援作用。
4、与冯相联，促蒋复出主持北伐，投桃报李，蒋让阎接收两市三省
阎锡山孤军讨奉的失利，使他深感要战胜奉军，必须借助南方力量。可是，当时由于唐生智心怀叵测，勾结奉鲁，隐图牵制，北伐军总部不得不先行西征讨唐，以除“内顾之忧”，防变生肘腋，况且，对南方境内的奉张残余势力，也须肃清，一时难以调动主力大举北进，远水不解近渴，因此，就近而言，在北方所能依靠的只有河南的冯玉祥国民军了。但此时张作霖、张宗昌等部正由直隶、山东分路向河南进攻，冯玉祥自顾不暇。为此，阎锡山加紧了与冯玉祥的联系。他认为“目下我与焕帅合则胜，不合则两败，尤宜开诚相与，一切均所不计”，并且对冯玉祥要求 援助军火一事，答应“就近在运城、长治两处先行接济”（《阎锡山年谱》（二），第837—838页），后来给冯拨了200万发子弹。尽管阎冯之间还远未达到“开诚相与”，联合一致的程度，也未能形成合兵伐奉的态势，但是，他们所表示出的合作意愿和相互声援，则对解除各自的困境，并为尔后的共同讨奉，起到了积极作用。
与此同时，阎锡山也看到，北伐进展缓慢，多因缺乏统一指挥及各部相互协调所致，因而，他屡请蒋介石出来总管北伐事宜。蒋介石被迫于8月13日宣布辞去北伐革命军总司令一职，在沪通电下野归里后不久，9月16日迁都南京的武汉政府成立了以桂系和西山会议派把持的国民党中央特别委员会，决定宁汉合作，改组中央党部和国民政府，并由特委会推举蒋介石、汪精卫、胡汉民、阎锡山等14人组成主席团。然而，汪精卫、唐生智等因不满蒋介石恋栈不走，遂返回武汉成立政治分会，反对南京特委会。蒋介石在反对派的压力下，遂于9月28日离开上海，前往日本。而胡汉民又深居上海，闭门不出，国民党三巨头，一个在武汉，一个赴日本，一个不出户，皆不在位，实际上北伐战争已无人掌管。阎锡山第一次出师讨奉开始后，所以形成孤军作战，各方无援，就与此有着很大关系。如今，奉军正对山西大举进攻，晋绥军虽仍在顽强坚守，但再坚持下去，前途确实堪忧，不仅山西难保，北伐大军渡江北上，也将困难重重。只有让蒋介石重新出山，统一指挥北伐军事，方可挽救危局，完成北伐大业。
阎锡山所以认准了蒋介石能行，主要是因为蒋介石坚决反共，这一立场与阎完全相同。再就是蒋介石有江浙财团和英美帝国主义在经济上的援助。北伐军兴后，随着北伐军作战地域的不断扩大，收编的军阀部队日见增多，军队人数已从广东出发时的8个军、10余万人，猛增到1927年的30多个军，约130万人，仅就军饷一项，即较广东时期增加了12倍，每月财政支出总计高达1700余万元。而当时南京政府的财政直接收入每月仅600万元左右（曾宪林等著：《中国大革命史话》中共党史出版社1991年3月版，第272页），如果蒋介石不复出，这一庞大的军费开支就难以解决，北伐也就无法进行。此外，蒋介石虽然去了日本，但他仍对晋奉战争予以密切关注。如晋绥军撤回山西，涿州之师被围困后，蒋即致电阎锡山，谓：“欲望其他援助，皆非所能，如可与奉议和，则从速停战，保存实力”（《阎锡山年谱》（二），第836页）。而阎锡山也不时将晋奉战况通报于在日本的蒋介石。所以，阎认为比起其他国民党要员来，蒋对北伐更为关注，急切盼望蒋“即日返旂督师北来”。其实，还在蒋介石通电下野之前，阎锡山即几次致电蒋，表示挽留：“传闻我公有消极意，党国存亡之秋，维持支柱，责在我公，遁萌退志，窃期期以为不为，务请勉抑高怀，力任艰巨，无任企祷”（《阎锡山年谱》（二），第769页）。而今，在南军进展缓慢，山西和冯玉祥部队又遭奉军压迫的情况下，阎锡山更觉得十分必要让蒋复出，并主持北伐大局。因此，他奔走呼吁，不但多次致电刘槿，希望他联络各方，请蒋介石回国，并与冯玉祥联名或自己单独向蒋致电，要其复任，而且给国民政府军委会主席团和中央党部、国民政府去电，谓：“当此九仞成功之际，党务事小，北伐事大，尤宜蠲弃一切，努力歼敌，完成革命大业，……不失千载一时之机也”（《阎锡山年谱》（二），第856页），“锡山等为完成革命工作起见，拟请中央党部、国民政府复任蒋中正同志统一指挥，不唯弟等大愿，大局实利赖之”（《阎锡山年谱》（二），第859页）。蒋介石于1927年11月10日由日本回到上海，当他于1928年1月4日回到南京复任国民革命军总司令一职后，阎锡山又专电国民政府军事委员会，谓：“兵不统一，用兵大忌”，建议中央统一北伐全军战斗序列，并提议由蒋介石任北伐全军总指挥（《阎锡山年谱》（二），第1088页）。蒋介石的复出，有着多方面的原因，但阎锡山在其中确实发挥了重要作用。
蒋介石复出并统辖指挥北伐军后，当年1月下旬即在开封召集军事会议，决定全面北伐之战略部署。国民政府军事委员会也统一了北伐军序列，成立了3个集团军，第一、二、三集团军总司令依次分别为蒋介石、冯玉祥、阎锡山，后又将驻扎于两湖的广西军队收编为第四集团军，由李宗仁任总司令。由于奉军4月1日开始集中兵力30个师，分中、北、东三路进攻山西，因此，蒋介石通令二、三集团军于7日开始总攻，而在此之前的4月4日，他已令一、二、三集团军分别从津浦路、京汉路、正太路向奉军发起攻击，从此，阎锡山开始了对奉军的第二次讨伐。
第一次讨奉的晋绥军撤回山西后，即深沟高垒、凭险固守，并多次击退了奉军的猛烈进攻。晋绥军付出了很大代价，奉军也损失惨重。晋绥军可就地取给，粮秣充裕，奉军却长途运输，补给困难。晋绥军再无退路可退，故而顽强抵抗，士气高昂，而奉军长期与晋绥军对峙，已成疲惫之师，所以，阎锡山第二次讨奉，是从固守前进阵地出发，在态势上是以逸待劳，加上有一、二两集团军的配合，更增添了胜利信心。这次，阎锡山在原来的基础上把对奉军的作战部署做了一些调整，由他任总司令，朱绶光为参谋长，商震为前敌总指挥，兵分左、右、中三路，左、中路为主力，分头出平型关、涞源和龙泉关、阜平，从侧面对保定形成南北夹击之势，并向京绥线方向派兵一支，由雁门关向大同方向出击，以阻止察绥奉军主力向南策应，同时，相机作预备队，从北路围攻北京，确保主力攻占保定、北京。右路军则出井径，抢先攻占石家庄及其以南之元氏、高邑，以控制京汉路，切断石家庄、南口奉军北归之路，迫其转向京汉、津浦两路间第二集团军的进攻地域，以迟滞冯玉祥部前进速度，并吸引奉军增援队到第二集团军进攻地域，从而减轻晋绥军左、中路的压力，使之能迅速攻取北京。
晋绥军依此部署，分头进发，到1928年4月下旬，已先后攻克高邑、平山、元氏、井径等地，及至4月26日冯玉祥部袭破奉军在京汉路、石家庄南（南口）防线，奉军开始向北溃退后，阎锡山即令右路军集中优势兵力对石家庄发起总攻。5月9日，石家庄被攻克后，由于察哈尔方面的奉军主力被晋绥军左路部队阻击，无法南下增援，石南奉军又在冯军追击下溃逃，于是，保定便被暴露在冀中平原，京津也指日可下。这时，奉军已呈现颓败之势，第二、第四集团军亦均进入河北境内。三路大军，一齐指向北京。但是，当时据守京津的奉军尚有40多万兵力。并且日、英、美等国在京津设有使馆和驻有一定部队，他们都与张作霖的关系非同一般。因此，占领京津，这既是各集团军所一直垂涎的一块肥肉，又是一个十分烫手的山芋。到底由谁来接收京津较为合适，作为北伐军总司令的蒋介石不能不认真考虑。
对于蒋介石而言，他自然想坐享其成将这块肥肉攫为己有，但他不能不有所顾忌，因为，在眼下这样一种复杂形势和这样一个敏感地区，要想占住脚，首先得有自己的军队作后盾，可是他的第一集团军尚在津浦路一线与山东的直鲁联军及孙传芳的残部作战。李宗仁的发祥地是湖广，在北方根本没有根基，难以胜此重任。冯玉祥倒是兵多将广，其集团军兵力数量与作战能力均为北伐诸军之翘首，而这又恰恰是蒋介石所顾忌的，况且冯玉祥还有亲共倾向，虽然他在弥合宁汉裂痕，促蒋复出上有所贡献，但也有过与武汉国民政府合作的历史。经反复权衡，蒋介石认为，由阎锡山接收京津还比较合适。这是因为阎锡山是资深的老同盟会员，处事一向谨慎稳健，善于应付复杂局势。他与日本方面以及奉方高层幕僚之间，都有密切关系，便于处理有关外交事宜，并且，他的兵力仅次于冯玉祥，军权统一，部署齐奏，有能力接收管理京津。更重要的是，他从派代表与蒋介石联络北伐事宜开始，在山西易帜、“清党”，反对武汉政府等问题上一直站在蒋介石一边，并在促蒋复出及由蒋掌管北伐军事上，都出了大力，表示对蒋的忠心。阎锡山占领石家庄等地后，并未贸然进军京津，而是向蒋电请战地政务委员会迅速北来处理河北政务，还请蒋“移节北来”。因此，蒋介石于5月22日给阎来电，称“奉军退出关外，京津由第三集团军和平接收”（《阎锡山年谱》（三），第974页）。这也是蒋介石对阎锡山于己有恩的一种报答吧。
阎锡山受此重任，自然喜出望外，但他并没有得意忘形，因为他深知其中的艰难。奉军虽然于5月12日提出停战要求，却只言漳德、正太，不言津浦，况且京津一线仍有重兵驻守。而日本方面“为保障东亚和平，维持大局起见”，又“确望”阎锡山从速与反过激派之奉天讲和，倘不讲和，恐亦为日本之敌（《阎锡山年谱》（三），第966页）。面对这种状况，阎锡山采取了军事与外交同时并举的策略，力图以军事上的胜利加重外交谈判筹码，以外交谈判促进和平接收。为此，他督促第三集团军加紧对保定门户方顺桥一线奉军的作战。由于奉军为保住保定而在方顺桥部署重兵进行顽抗，双方在此胶着十数日，战斗空前激烈，晋绥军一度几乎被奉军合围。面对危局阎锡山与白崇禧电请蒋介石，请他“迅饬第一集团军急取沧州，籍资策应”，并“恳电请冯总司令饬第二集团军迅速北进，保持第三集团军右翼之安全”（《阎锡山年谱》（三），第976页），以利第二集团军在完县方顺桥之线与敌作战，同时向冯玉祥求援。但因冀南之奉军大部被吸引至冯玉祥部所在的豫北战场，当冯部吃紧向阎求援时，阎却以种种理由敷衍，按兵不动，致使冯部伤亡重大，所以，对阎的请援，冯部不予支援。幸亏第四集团军先头部队赶到，晋绥军才得以解围，并于5月29日攻克方顺桥，翌日攻占保定。在外交上，阎锡山则按照蒋介石关于“战事达到京津附近，应以竭力避免惹起外交之方法为作战之布署，如能以和平达到目的，自不妨曲予迁就”的指示（《阎锡山年谱》（三），第977页），加强了对日本以及英美等国驻京使馆的外交活动。
其实，阎锡山对此已未雨绸缪，早有筹划，还在1927年春，他即派谙熟日方情况且善于折冲尊俎的南桂馨，赴北京继任了因病去世的田应璜的驻京首席代表一职。南上任以后，积极活动，很快与其在日本时的旧交、日本驻京公使武官本庄繁（后任日本关东军司令）少将取得联络，事先向他通报了山西方面准备出兵北伐的信息，使日本方面有所了解，并且和英国驻京公使兰普森举行了会谈，针对兰氏所提出的怕冯玉祥军队进驻京津“发生意外”这一问题，解释了阎锡山不会是武汉政府的做法，如阎锡山接收京津，一定并且必须遵守与各国的既定条约。从而为以后阎锡山开展对英美的外交活动作了铺垫。晋奉开战后，南为躲避奉方缉捕而迁至天津。在这里，他不仅很快将张作霖因在华北用美国借款修筑铁路一事与日方交恶的情报告知阎锡山，而且还向阎传去了日本驻京公使芳泽关于“只要阎军打入保定，我们日本就可压迫奉军退出华北，如果退出时，溃不成军，恐怕山海关也不易出去了”的情报，加上事后更为准确直接的有关情报，对坚定阎锡山二次讨奉时采取“中心突破，侧面接敌，先下保定”的战略方针，起到了很大作用。与此同时，南桂馨在天津还先后联络了北京“安国军政府”的内务部警政司长李新培、督察总监署司法处长蒲子雅等人，从他们那里及时获取日方、奉方主张与国民党合作的新派以及掌管京津治安卫戍大权的北洋皖系势力对时局的看法。在张作霖行将败逃时，南又与日本天津驻军司令新井达成谅解，由日方放出不惜一战的口风，坚拒冯玉祥部接收天津，而由从保定奉方软禁中跑出来的傅作义指挥由张宗昌撤离时留下的一个团，负责接收天津。为使接收京津顺利进行，阎锡山甚至对京津冀察的主要人事安排都通过南桂馨取得了北京外交使团的“谅解”。正因为有了这些事先的充分准备工作，所以，5月30日蒋介石赴石家庄与阎锡山会晤时，两人对接收京津及善后事宜问题，很快达成共识，并于6月4日由国民政府委任阎锡山为京津卫戍总司令。
阎锡山攻占保定后，鉴于同在京汉路上北进的第二、第四集团军只推进到石家庄及其以南地区，为不失时机抢占北京，遂令其第三集团军以张荫梧、孙楚为左、右路先锋，兼程向北京挺进。由于奉军在石家庄、保定战役中连连失利，在京汉一线的部队也被北伐军所歼灭，加上日本方面的逼迫，张作霖知道大势已去，不得不于6月2日离京返奉。6月4日在皇姑屯被日本人炸伤殒命。同时，由于南桂馨的工作，掌握北京警政的地方维持会王士珍等人出面维持了北京秩序，并拒绝了试图接收北京防务的第二集团军韩复榘部，所以，孙楚所部于6月8日进入北京，顺利接收了奉军留京卫戍部队的防务。同日，阎锡山电令南桂馨接收天津防务，并报呈国民政府、军事委员会、蒋介石，请任张荫梧、傅作义分别担任京、津警备司令。6月12日，国民政府批准了对张、傅的任命。6月20日，国民党中央政治会议决定将直隶省改称河北省，北京市改称北平市，并以北平、天津二市为特别市，后又任何其巩、南桂馨分别为北平、天津两市市长，商震为河北省主席，赵戴文为察哈尔督统（不久又调任国民政府内政部长），徐永昌为绥远督统。同年12月，察哈尔、绥远由特别区改省，督统改为省主席，两省主席分由杨爱源、徐永昌担任。这样，阎锡山遂控制了北京、天津两市和晋冀察绥4省，成了北伐中的大赢家。