又第二次从军,在孙岳第十五混成旅任副官。
1920年7月,直战发,庞炳勋曾率义勇队参战,1922年又参加了第一次直奉大战。时任孙岳第十五混成旅步兵营长的庞炳勋,率部在北京以南长辛店附近的南岗洼与奉军展开激战,被奉军的炮弹炸伤了一条腿,几乎丧命,幸被勤务兵救出,送往保定思罗医院治疗。在旅长孙岳的关照下,腿是保住了,但是从此落下了残疾,成了瘸腿。虽然不良于行,但对行军打仗也并无多大影响,奔跑起来不亚于常人。
战争结束后,第十五混旅旅长孙岳兼任冀南镇守使,庞炳勋亦跟随孙岳进驻冀南,不久升任第十五混成旅参谋长。1924年9月17日,爆发了第二次直奉大战,庞炳勋随第十五混成旅被调进北京,参加了“北京政变”。尔后,第十五混成旅改编为国民军第三军,孙岳任国民军副总司令兼第三军军长。庞炳勋改任补充团团长。
1925年2,补充团扩编为第二混成旅,庞炳勋升任该旅旅长。以后他曾随国民三军赴豫参加胡、憨之战,进而转战陕西,驱逐陕督吴新田。同年秋季,孙岳率国民三军回师河北,国民三军占领天津。庞炳勋任天津镇守使,同时晋升为陆军少将,并获三等文虎勋章。
926年初,直鲁奉阀集结数十万兵力,向国民军发起进攻,国民军三面受敌。为保存国民军实力,减少损失,3月下旬孙岳发表撤军通电,下令国民军退守北京地区。3月23日庞炳勋撤出天津,退至武清一带。这时北京外围已被直、奉两军相继占领,庞炳勋部与国民军总部的联系被切断,陷入孤立无援的困境。
正当庞炳无所适从时,直系军阀吴佩孚派人游说,收编了庞炳勋的部队,改称第十二混成旅,庞炳勋任旅长,不久开赴石家庄。
一次北伐时,庞炳勋部改编为云~的河南保卫军第十一师,庞炳勋任师长。是年冬,庞部由明港开往信阳以东的洋河镇。在这里,庞炳勋结识了国民党中央委员王法勤。在王法勤的劝导下,庞炳勋同意改编为国民革命军暂编第五军,待机易帜,参加北伐。
1927年初,庞炳勋率部移驻信阳。不久,又奉云~的命令由信阳北上,企图阻止奉军南下,进抵河时又编为河南保卫军第三军。由于郑州前线失利,庞炳勋率部折回南下,当进到驻马店时,遇到国民革命军唐生智的部队。庞炳勋见时机已到,公开打出了国民革命军暂编第五军的旗帜,接受唐生智的指挥,加入了北伐革命的行列。
12日,蒋介石发动政变,武汉革命政