10月10日，東征軍掃蕩了惠州城外之敵。同時，蔣介石趕到博羅，將三個縱隊的兵力作了布置，並下達了進攻惠州的要領，對攻城部隊的選出，編組攻城的指揮及動作，炮兵目的，其他部隊的配合，以及聯絡行為都作了明確而又詳細的具體規定。
此時，****主要兵力幾乎都集中在惠州地區。除楊坤如部(2000多人)駐守惠州、惠陽之外，還有：李易標、陳修爵部(3000餘人)集中老隆；黃任寰、練演雄部(3000多人)集中紫金；李雲複部(2000多人)集中平山；謝文炳部(2000餘人)集中梅隆。****企圖利用天險，將東征軍堵在惠州城下，然後反守為攻，殲滅東征軍。
蔣介石將部隊分為攻城軍和野戰軍兩部分：以第一縱隊大部為攻城軍，由熟悉惠州內情的駱鳳翔(東江宣撫使)任向導。此前，蔣介石向駱谘詢作戰計劃說：“楊坤如據惠州三年，你為楊參謀長，對於防守作戰，你是有辦法的。相信你對於攻擊惠州城，也一定有辦法。”駱說：“惠城形勢，易守難收，但如果集中炮兵於北門外，讓炮兵火力發揮效能後，以步兵配合衝鋒。另以一部分兵力，向南門佯攻，以分散敵人之目標與兵力，必能一舉攻下。”
蔣介石聞言大喜，立即點頭稱是，分頭指揮各兵種，部署作戰。以第一縱隊其餘部隊和第二、三縱隊為野戰軍，分別位置於博羅、淡水一帶，執行阻敵增援，策應各方、截擊潰敵等任務。總指揮部決定采用第一次東征進攻淡水城的打法，組織攻城先鋒隊實行強攻。攻城重點選在北門，由第二師第四團承擔。
10月13日上午，攻城開始，首先是以猛烈的炮火，轟擊城門、堞樓以及城內敵軍司令部、炮兵陣地、側防機槍、無線電台等重要目標，並出動飛機，不斷向城內投放炸彈和宣傳品。下午，各團攻城先鋒隊開始爬城，戰鬥異常激烈。但由於梯短城高，城上工事沒有全部摧毀，敵人居高臨下，拚死頑抗，因此，多次衝鋒都沒成功，衝上去的軍官、士兵，一排接著一排地倒下，損失慘重。攻城隊始終無法逼近牆根，隻好收兵。
強攻受挫，蔣介石主張放棄攻惠州，而轉攻海陸豐。共產黨人和蘇聯顧問堅持認為，在當前情況下，隻有首先攻下惠城，才能給敵人以重大打擊，開拓東征勝利的局麵。蔣介石這才部署繼續攻城，決定仍由第四團主攻北門，而調第八團協助之，由第七團及第一補充團攻西門。
10月14日下午3時，革命軍繼續攻城。野炮、山炮集中火力，猛烈轟北門，摧毀敵軍城上工事，掃除暗藏的側防火力。炮兵營營長陳誠，特調山炮一連，推進至北門城樓外500米處，將敵人暗藏的機槍打啞。攻城隊乘機將竹梯移至城牆，官兵們冒著危險、爭先攀登。楊坤如聽說城門告急，幾次率隊前往督戰，但因遭炮擊而半途折回。經過激烈的搏鬥，革命軍終於占領了惠州。楊坤如負傷，狼狽出逃，其部也紛紛棄城而走。惠州之役為完成第二次東征，打開了勝利的通途。
惠州既下，蔣介石立即向國民黨中央執行委員會、國府主席汪精衛及各院部會、各留守廣州的將領、各農會工會組織報捷。他在捷報中說：“惠城夙稱天險，有宋以來從未能破，今為革命軍一舉攻克，雖由將士奮勇用命，亦我大元帥在天之靈有以佑之。從此努力前驅，肅清逆氛，指日可期。吾黨前途大放光明。”
攻克惠州，在當時的廣州引起轟動，顯示了革命陣營的力量，極大地鼓舞了廣大工農群眾的信心，看到了國民革命的前途。同時，此仗的勝利，也提高了蔣介石的威信。國民政府特意電令表揚蔣介石，稱蔣介石受命東征，督率將士，立破堅城，該總指揮忠勇激發，成此偉功，至深嘉尚。
惠州既克，為掃蕩盤踞東江上遊的陳炯明軍，蔣介石擬定了第二期作戰計劃。決定第一縱隊沿永湖、白雲市、赤石、梅隴，進攻海豐、陸豐；第二縱隊沿淡水、平山、三多祝進攻紫金、河婆；第三縱隊沿東江西岸北上，進攻河源、老隆。以期分道進擊，打敗****。
10月17日，何應欽、周恩來率領第一師從惠州出發，追亡逐虜，掃蕩潰兵，於20日到達赤石。22日，各部按計而行，一舉打敗敵軍，占領梅隴。下午進入海豐城。23日，殲敵於公平。24日，與留守海豐的第三團與前來圍剿之敵軍的浴血奮戰，英勇拚搏。同時，攻下城東公路橋、並乘勝占領陸豐。
10月17日，李濟保率領的第二縱隊從永湖出發，先抵平山，占領多祝，後經苦戰，攻陷紫金。程潛所率第三縱隊，22日涉水進攻河源城，次日，占領老隆。
當東征軍從惠州分途進軍時，蔣介石和東征軍總指揮部，隨譚曙卿所率第三師出發。10月20日，部隊由惠州啟程，過惠陽，經馬鞍、平潭、於下午抵達平山。次日，平山農會及工商學界開會歡迎國民革命軍。蔣致謝辭，說：“陳、楊殘民以逞，慘無人道。革命軍為人民除害，得力於人民相助。”
10月27日，第三師(3000多人)輕敵冒進，在五華縣華陽附近，與****林虎部1萬多人遭遇。
10月27日上午8時，蔣介石由龍寓墟起身，於下午2時半至高墟，忽聞譚曙卿第三師告急。孤軍深入的譚師被敵軍萬餘人包圍於距華陽十餘裏的塘湖地區，形勢危急。第三師幾乎潰不成軍，陣線動搖。
當第三師潰退時，蔣介石立即命陳賡去向譚曙卿傳達命令，要求三師無論如何都要堅守陣地。時任第四團連長的陳賡因在惠州戰役中英勇善戰而得到蔣的信任，並被調到東征軍總指揮部擔任警衛，蔣介石此時也親自到前線裏墟指揮督戰。