二届三中全会筹备期间，陈铭枢准备利用第十一军的力量发动政变，逮捕与会的国民党左派和中共党人，但由于邓演达、唐生智防范严密，未敢动手。６日，陈铭枢声称“到外国一换环境，兼补充革命学识”，辞去武汉卫戍司令及第十一军军长职务，潜往南昌。同日，邓演达、唐生智召集十一军官兵谈话，均表示“绝对服从党”。
３月１０日至１７日，二届三中全会召开，共通过决议案二十项，宣言及训令三份，其主要内容有以下几方面：
（一）充分肯定了“临时联席会议”成立的必要及其工作成绩。会议明确指出，该会“系适合革命利益，应付革命时机，代表中央权力之必要组织”，认为它领导群众进攻帝国主义，收回租界，因而大大提高了国民政府的权威。这就针锋相对地否定了蒋介石对“临时联席会议”的指责。
（二）恢复和提高党权，采取了防止个人独裁和军事专政的新集体领导体制。国民党二届二中全会以后，党内实行主席制，蒋介石借此集权于一身，凌驾于全党之上。此次会上，主席制成为集矢对象。徐谦批评其“只见个人权利，不见党的威权”。孙科称：“以主席为唯一领袖，并且兼为军事领导。此种封建思想对于党内党外皆有影响，渐次便成独裁制度。”江苏省党部代表张曙时与安徽、直隶、山西、河南４省党部代表联合提出《请取消主席制度案》，认为“有主席一日，党内就一日不宁，革命前途有很大之危险”。会议通过的《统一领导机关案》确定不设主席，在中央执行委员会议前后，由常务委员会“对党务、政治、军事行使最终议决权”，同时设立政治委员会、军事委员会。政治委员会审议政治问题，议决后“交由中央执行委员会指导国民政府执行”。军事委员会由中央委员中的高级军官和不任军职的中央委员两部分人组成，其中７人为主席团；主席团之决议及命令，须有４人签名方能生效；总司令、前敌总指挥、军长等，须军委会提出，由中央委员会任命。为了防止个人干预外交，会议通过的《统一外交决议案》规定：党员不得擅自变更外交主张，或直接、间接与列强接洽任何事宜；政府职员不得私自与帝国主义接洽或进行秘密交涉；所有外交人员均由外交部直接任免。为了防止个人干预财政，会议又通过《统一财政决议案》，规定“集中各省财政管理权于财政部”。此外，为了改变蒋介石利用黄埔军校培植私人势力的状况，会议还采纳彭泽民的意见，规定军事政治学校均改校长制为委员制。
（三）坚持并重申国民党一大所确定的革命路线和政策，强调了农民问题的重要性。会议通过的《对全国人民宣言》提出：“要用种种方法继续援助工人、农民和城市一般民众的革命运动及改良他们本身生活的争斗。”《宣言》表示，将设立农政部及劳工部，“实现本党的农工政策”。在讨论中，孙科说：“革命根本问题为农民解放问题。中国人民中百分之七、八十为农民，如农民解放运动做不到，国民革命即难成功。”邓演达说：“乡村农民之兴起，参加政治斗争，打碎封建思想，其结果非常伟大。”他热情肯定了湖南、湖北、河南等地农民运动的成绩，认为“如旁观或制止即系自杀”；主张由大会宣言，“令农民放胆去做”。会议除通过《农民问题决议案》外，又通过了《对全国农民宣言》。《农民问题决议案》提出了当时应立即实行的１０条事项，如：建立区乡机关、设立土地委员会、在本年内完全实行减租２５％、依法没收贪官污吏、土豪劣绅及一切反革命者的土地财产，明令禁止高利盘剥等。《对全国农民宣言》肯定革命“需要一个农村的大变动”，“使土豪、劣绅、不法地主及一切反革命派之活动，在农民威力之下，完全消灭”；使农村政权转移到农民手中。《宣言》表示，为保障胜利，农民“应得到武装”，“本党决计拥护农民获得土地之争斗”。《农民问题决议案》与《对全国农民宣言》均由中央农民运动委员会提出，又经会议指定徐谦、恽代英、王法勤、邓演达、吴玉章、詹大悲、顾孟余、邓懋修、毛泽东９人组成审查委员会修订，其中不少观点和毛泽东的《湖南农民运动考察报告》相一致，显然有他的手笔在内。此外，为了镇压农村反动势力，会议还批准了董必武代表湖北省党部提出的《湖北省惩治土豪劣绅暂行条例》与《湖北省审判土豪劣绅暂行条例》。
（四）否定非法选举，打击了右派势力。１９２６年１２月，广东省党部召开代表大会，选举省党部执行委员。在陈果夫操纵下，以中央名义指定若干人加入预选，然后再以政治会议广州分会名义圈定１５人，结果，使右派当权。其后的江西省和广州特别市党部选举都存在类似情况。为此，会议不顾陈果夫的抗辩，通过了张曙时等人的提案，指出上述选举“违背总章，应由常务委员会令其从速改选”。会议并接受暹罗支部控告，批评右派萧佛成的言论与行为，决定停止其中央委员职权，解除其在暹罗的一切职务。
（五）改选中央常务委员、各部部长、政治委员会、军事委员会，国民政府委员组成了新的党、政领导机构。蒋介石虽然还担任常务委员、军事委员、军事委员会主席团委员、国民政府委员等四项职务，但已从权力高峰上跌落下来，而汪精卫的权位则大大提高。
３月２０日，国民政府委员在武昌举行就职宣誓。至此，新的一届国民政府正式成立，二届三中全会似乎功德圆满了。
二届三中全会是国民党左派和中国共产党人的一次空前的胜利。它完成了１９２６年中央及各省区联席会议未能完成的任务，纠正了二届二中全会所作出的许多错误决定，从新右派手中夺回了党权和政权，其意义重大。但是，兴高采烈的左派们很快就发现，他们的胜利远不是巩固的，因为蒋介石还掌握着军权。当纸上的宣言和决议与枪杆子发生矛盾的时候，前者显然不能与后者较量。
还在迁都之争初期，鲍罗廷曾对李宗仁说：“绝不能再让蒋介石继续当总司令了。”他曾试图动员李宗仁取蒋自代，遭到拒绝。３月下旬，武汉政府又曾密令第六军军长程潜逮捕蒋介石，再遭拒绝。４月５日，武汉政府决定废除国民革命军总司令，建立集团军，任命蒋介石为第一集团军总司令，冯玉祥为第二集团军总司令，朱培德为预备队总指挥。杨树庄为海军总司令。这是武汉政府削弱蒋介石军权的重大措施，但是，已经没有实际效用。一周之后蒋介石就利用他掌握的军权，发动了四一二政变。
