1925年7月，国民政府在广州成立，粤军第一师扩编为国民革命军第四军，李济深任军长，陈济棠升任第十一师师长。该年秋冬间，陈率部参加第二次东征和南征战役，一直打到海南岛。
北伐时，陈济棠率部驻防高、雷、钦、廉地区，兼任钦廉警备司令，从事南路的绥靖工作。他对孙中山联俄、联共、扶助工农三大政策内心抵触，在他驻北海期间，压制工人、农民运动，排斥进步青年，又使其胞兄陈维周承办各项捐务，牟取暴利，引起各方不满。陈看到这种于己不利的形势，便与他的亲信师参谋长李扬敬、师政治部主任林翼中密商，决定出国考察，借以缓和气氛和博取进步的外衣。1926年冬，他便请准去苏联和一些欧洲国家进行考察。
陈济棠正在苏联考察时，蒋介石发动了“四一二”政变，在上海广州进行大屠杀，第十一师也从钦、廉、高、雷地区调回广州，担任警备，配合清党行动。陈得知这一消息，认为这是回国复职寻求发展的大好时机，便于6月间回国。他一到南京，就向蒋介石呈报反苏反共意见，又在“总理纪念周”上作反苏反共报告。他说：“共产党是本党的反对党，是危害本党的惟一敌人。”“赤色帝国主义者的苏联，是我们最大最可恶的敌人。”宁汉分裂后，他回到广州，一面以他的心腹李扬敬、林翼中、林时清等向各方疏通；一面请广东省财政厅厅长古应芬向李济深进言，给他复任第十一师师长职务。
陈济棠复职后，利用广东正在扩编军队的机会，把与他有矛盾的副师长邓世增调离第十一师，改任余汉谋为副师长，并把所属各团、营长换了一些亲信人物。他在各种场合，极力宣传要继承邓铿师长和孙总理的遗志，建设三民主义的中国。同时，他又做了些改善官兵生活的事情，巩固他在第十一师的地位。这年9月，“八一”南昌起义部队进入广东，陈济棠与徐景唐、薛岳等师驰赴潮汕，阻击叶挺、贺龙率领的起义军。陈部属东路军，由河源东进，寻求起义军主力决战。28日，陈部与叶、贺起义军主力在汤坑东南的白石遭遇，激战三昼夜，使起义军伤亡2000余人，无力再战退出战斗。
11月，张发奎、黄琪翔在汪精卫的唆使下，率领第二方面军第四军部队，由九江南下广东。打着“护党救国”的招牌，驱逐李济深，并把部队调驻惠州、肇庆、江门前线，企图独霸广东。后陈济棠又支持李济深，率部在东江上游参加对张发奎部作战。在老隆一役中，陈率部与张发奎部在三百米内激烈搏斗，击毙张部骁将第二十六师师长许志锐，击伤教导第二师师长黄镇球，使张部伤亡惨重，全线溃败，退出了广东。
1928年1月，李济深将驻粤军整编为三个军，陈济棠升任第四军军长，兼任西区善后委员，统辖余汉谋的第十一师、香翰屏的第十二师、陈章甫的第二十五师，驻防广州。
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