9月17日上午10时，冯玉祥在五原举行了誓师大会，会场就设立在五原县政府西侧的广场上，是一个由士兵在前一日临时搭建的土台。参加誓师大会的官兵一万余人列队于土台东西南三面，国民党中央执行委员会委员于右任、中国共产党党员刘志坚、苏联顾问乌斯马诺夫、绥远省民政厅厅长邓鉴山等出席誓师大会。另外，五原县县长刘必达、临河设治局局长萧振瀛、地方士绅王英亦应邀参会，冯玉祥身着普通士兵的服装登台，慷慨陈词，痛斥北洋军阀，并宣布拥护孙中山先生的“三民主义”，响应国民革命军北伐。冯玉祥话音刚落，到会的西北军官兵群情激奋，高呼“打倒列强、铲除军阀”。
随后，国民党代表于右任将一面北伐军的旗帜交给冯玉祥，冯玉祥高高举起军旗，广场上则高唱起北伐军军歌，西北军自此日正式加入国民革命军。会后，西北军即发出《五原誓师通电宣言》，冯玉祥在宣言中称“玉祥本是一个武人，半生戎马，未完学问。唯不自量，力图救国，无奈才识短浅，对于革命的方法不得要领。所以飘然下野，去国远游。及至走到苏联，看见世界革命起来万丈高潮……于是我明白了救国的要诀……”誓师之后，即组织国民军联军，根据广东国民政府的要求，在李大钊等共产党人的建议下，制订“固甘援陕，联晋图豫”的战略计划，向陕西、甘肃方向出兵。