就在这时，杨虎城召集他的主要干部，包括孙蔚如、魏野畴，在三原开会，分析局势，研究对策。为了配合广州革命政府的北伐，合乎陕西人民抗刘的要求，决定配合友军共守西安，痛击镇嵩军。

    4月16日，在渭北进步力量的支持和西安各进步团体的欢迎之下，杨虎城派先头部队从北门进城。刘镇华获悉杨部从三原向西安转移时，大为惊讶，即令在城东北郊三辅洼一带的镇嵩军攻城。原在东郊的守军纷纷向城内撤退，情况十分危急。杨的先头部队来不及休息吃饭，即出东门应战，将敌打退，使战局稳定下来。刘等待入城的幻梦破灭后，便命令部队向南北两个方面移动，将西安城包围起来。这样，著名的西安之战就开始了。

    18日，杨虎城率领幕僚和卫队等由三原到达西安。他对李云龙说：“我杨彪杀至只身单骑，功必力守待援。”根据敌我力量对比，他作出长期固守的计划，并命令所部在城外各要隘和城墙上构筑工事，分兵坚守。

    5月中旬，西安与外县的一切联系全被截断，成了孤城。为了打通一条与外面联系的交通线，守军组织了几次突围，都没有成功。杨虎城感到，大敌当前，如何统一指挥与团结合作，是应首先解决的问题。论实力，杨部的兵力约五千余人，是保卫西安的核心力量，而且得到进步力量的支持和合作。然而，杨以大局为重，提出取消国民军的番号，改称陕军的建议，并推戴李云龙为陕军总司令，自任副总司令。其次，他命令自己的部队把从靖国军开始时就戴的红圈军帽取消，同李云龙、卫定一部一致。在分配防务时，杨担负起敌人攻击的重点东、北两个方向，李部担任南面，卫部担任压力较小的西面。为了防止敌人声东击西的诡计，守军采取了分片包干的办法。刘镇华用各种办法组织镇嵩军攻城，都被守军击退。

    西安城内有些绅士组织“和平期成会”，作为刘的内应，随时准备迎刘入城。是年冬，城内粮食供应断绝，军民先后饿死和冻死近五万人。“和平期成会”乘机造谣惑众，制造混乱。杨虎城坚定地站地进步群众和学生团体一边，枪毙了大绅士褚小毖，镇压了投降活动。

    杨虎城同李云龙、卫定一生死与共，坚守待援八个月，直至11月28日西安被冯玉祥的国民军联军解围。西安坚守战拖住了北洋军阀的大量兵力，从侧背威胁了吴佩孚和张作霖的部队，遥相援应了正在进行的北伐战争，是民国史上守城作战的典型战例。

    就在西安解围的前四天，杨虎城的夫人罗培兰因忧急去世。罗豪迈机智，对杨帮助很大。1922年武功之役时，她怀孕在身，为了安定军心，经常随杨骑马到前线巡视和慰问伤员。杨部退往陕北后，一时人心涣散，罗培兰作了出色的团结工作。于右任的挽联云：是杨虎夫人，应习战马；为革命女子，等死沙场。她与杨虎城生一子拯民、一女拯坤。

    1927年初，杨虎城应冯玉祥的邀请，任国民军第十路总司令，旋改为国民革命军第二集团军第十军军长。5月，杨以东路军前敌总指挥名义率部东出潼关，参加北伐战争，受东路军总司令鹿钟麟节制。杨除指挥第十军外，还指挥庞炳勋、王鸿恩、吕秀文等三个军，在陇海东段归德、徐州间，和直鲁联军徐源泉、褚玉璞、孙殿英、张敬尧等八个军作战。终以双方力量相差悬殊，伤亡过重；加上国民军联军第十一军姜明玉部在后方柳河叛变，投降张宗昌，退路断绝，杨部被迫经柘城转至皖北太和县、河南鹿邑一带休整。

    1927年，蒋介石在上海发动“四·一二政变”。冯王祥于这年6月与蒋合流，下令国民联军各部实行“清党”。但是，杨虎城没有执行冯的这个命令，坚持和共产党合作。当时，在陕的共产党都先后来到杨部。他常和原国民联军驻陕总部政治部副部长魏野畴、原东路军总部代表南汉宸及原国民军联军总部《革命军入朝报》总编辑蒋听松等共产党人一起讨论研究国内外的大事。杨在太和县凋整人事时，在所部重要位置上安排了不少共产党员。他委任魏野畴为军部政治处长，蒋听松为军部秘书长，寇子严为第一师参谋长，曹力如为第二师政治处长。杨还创办了一所军事政治干部学校，以南汉宸为校长。这时，杨部的共严党员约有二百余人。魏、南、蒋等为领导人，成立了中共河南省委领导下的皖北特委，以杨虎城部为中心，积极开展工作。