1924年11月13日，孙中山在夫人宋庆龄等陪同下离开广州，之后经上海至日本神户访问。次月4日，一行人抵达天津。在津期间，孙先生因风寒而肝病复发，在疗养二十余日后，仍坚持于12月底前往北京。
1924年的中国并不太平。这一年的9月，南方爆发江浙战争；10月，北方爆发第二次直奉战争，中华大地兵火连城，军阀间打得不亦乐乎。正当直系大将吴佩孚与奉系张作霖在山海关激战之时，北京城内却突发异动，原属直系阵营的冯玉祥一夜间倒戈相向，直系领袖、“贿选总统”曹锟被软禁，这就是民国史上的“北京政变”。
冯玉祥政变成功后，随即电邀孙先生北上共商国是，后者接电后欣然同意，决定随即北上，以促进国家和平统一。正当孙先生整装待发时，北京政局再度发生变化，在第二次直奉战争中取胜的奉系军阀张作霖兵临京津城下，冯玉祥的势力为之一弱。经过一番实力与权谋的斗争后，张、冯等人达成妥协，原皖系军阀首领段祺瑞被推任为临时执政。
段祺瑞上台后，其接过冯玉祥的口号并邀请全国各界名流、军政要人来北京召开“善后会议”，以规划未来中国的制度构架和发展走向。作为补偿，段祺瑞、张作霖、冯玉祥向孙中山先生发出联名邀请，请他迅速北上，商谈国是。孙先生接到电报后，认为这是民国成立后一次极难得的机会，有望实行国家和平统一，于是立刻复电，表示将在数日后立即北上。
1924年12月31日，在天津停留了二十余天后，孙中山扶病前行。入京后，孙先生发表宣言，称自己“此次来京，曾有宣言，非争地位权利，乃为救国。”让人觉得有些遗憾的是，因为病体不支，孙先生在北京饭店作了一个简短的讲话后，即再未公开露面。就在抵京当晚，协和医院的德国医生克礼、狄博尔很快来到北京饭店，其与从天津过来的德国大夫施密特会同诊断后一致认为，孙先生所患的恐怕是“最烈肝病”，情况不容乐观。
1月26日下午，由协和医院外科主任邰乐尔为孙中山主刀，施行手术割治。在将孙先生的腹壁切开后，眼前的情况让所有人大吃一惊：整个肝脏表面布满大大小小的黄白色结节，而且整个腹腔内脏器粘连在一起，根本无法手术。在此情况下，邰大夫从肝上取出小块组织做活检标本并将肝部的脓吸出后即将伤口缝合，整个手术进行了25分钟。事后，德、美、俄三国医生对其肝组织活检标本进行了化验，最终结论是：孙中山患的是肝癌，而且已处晚期。手术后最初几天，孙先生反应良好，但在短暂的稳定后，病情再度急转直下。2月16日，院方在征得同意后启用镭锭进行放射治疗，以阻止癌细胞蔓延，这是当时所能采取的最后办法了。镭疗射近45小时后，病状仍未见任何好转，院方至此也是无能为力。
在此情况下，张静江等人极力主张请中医治疗，但汤尔和等西医坚决反对中医疗法，其所在的协和医院也态度强硬的表示，如要服用中药，就必须搬出医院，即便显贵如孙中山者，也不能例外。2月18日，孙中山因病情加重而搬出协和医院移居铁狮子胡同行辕，改由中医治疗。著名中医陆仲安等曾共同诊视一周并开出方剂，孙在服药两剂后情况有所好转，但数日后，孙又停止服用中药而继续用西医之法利尿、止泻等对症处理。延至3月12日凌晨，孙中山突然频繁辗转，气息越来越微弱。9时30分，孙中山停止了呼吸，终年59岁。
孙先生病逝后，遗体被运回协和医院做防腐处理并进行胸腹腔解剖。待新的检验报告出来后，医生们得出与此前不同的诊断结果，即认为孙先生的病是癌细胞侵入肝体后阻塞胆管，并向肺、腹膜及肠广泛性转移所形成，其关键的病变部位在胆囊和胆管，即胆囊腺癌，但此刻为时已晚了。
孙中山逝世一周后，宋庆龄、孙科在北京协和医院礼堂按基督教仪式举行了一次家庭葬礼，葬礼由燕京大学神学院院长刘廷芳牧师主持，广州政府司法部长徐谦和孔祥熙先后致悼词。葬礼之后，孙中山灵柩被移往中央公园社稷坛大殿。3月24日起，社稷坛开始举行公祭并接受各界人士的吊唁。据记载，孙先生的灵柩安放在灵堂内一座50厘米高的榇台上，灵柩前上方悬挂遗像及“有志竟成”横匾，两边是孙先生的遗言对联：“革命尚未成功，同志仍须努力”，棺上盖以青天白日旗，宋庆龄身着黑素服率亲属守灵。事后，治丧办事处通电国民党党员左臂缠黑纱，停止宴会及娱乐七日；广州军政府则通令所属各官署：军营、军舰下半旗一月、文武官吏停止宴会一月，民间辍乐七日；文官左臂缠黑纱一月，武官及兵士于左臂及刀柄上缠黑纱一月，以志哀悼。此后一周内，包括本国政要、各界名流及各国大使约10万余人前来吊唁，盛况空前。
社稷坛举行公祭时，豫军总司令樊钟秀特别致送了一个阔丈余，高五尺的巨型素花横额，当中大书“国父”二字，这也是孙中山在公开场合被尊称为“国父”的最开始（中国国民党中央常务委员会在1940年的第十四3次会议中决议，正式尊称总理孙中山为“国父”，之前一般称“总理”）。
由于孙中山病逝时陵墓还未动工，各方决定于中央公园公祭后将灵柩暂厝于西山碧云寺内。4月2日上午，灵柩用汽车运送，下午4时到达碧云寺，灵柩安放在殿后的金刚宝座塔石龛内，龛内悬有长联：“功高华盛顿，识迈马克斯（思），行易知难，并有名言传海内；骨埋紫金山，灵栖碧云寺，地维天柱，永留浩气在人间！”为防止有人破坏，治丧处特委派马湘、黄雅觉率卫士李荣等7人常驻碧云寺护灵。
1928年5月18日，蒋介石率各集团军总司令、各路总指挥在西山碧云寺举行祭灵大典。祭文中，蒋介石标榜自己是“亲承提命之殷殷，寄以非常之任”，以明示冯、阎等各路军阀他才是受命于孙总理的当然继承人。读罢祭文，开棺盖瞻仰孙之遗容时，蒋介石当场抚棺痛哭，冯玉祥上前相劝，他哭得更甚。这时，身后有人不满其表演而喊道：“他是嫡系，我们都不是嫡系。让他一个人哭吧，我们走了。”蒋介石听后，这才停止痛哭，盖棺结束祭奠。
早在民国成立之初，孙中山至紫金山一带打猎时曾说，“百年之后，愿向国民乞此一掊土，以安躯壳尔……”按此，国民党方面经实地勘察后决定在此建陵，共圈拨墓地、墓道及纪念建筑应用之地2000余亩。4年后，中山陵竣工，陵园面积扩大至5万亩，耗银400余万两。此时正值北伐胜利，为表示对孙中山的尊崇并增加自己的合法性与权威性，自命为中山传人的蒋介石决定为孙先生举行盛大的奉安移灵大典。
1929年5月22日，在碧云寺举行遗体改殓仪式后，国民党方面又在天安门前举行奉安迎榇纪念大会，碧云寺内则另辟“孙中山纪念堂”及“孙中山先生衣冠冢”，以示纪念。自5月 26日起，南京政府明令于全国一律下半旗7天，国民于7天内臂缠黑纱，停止一切娱乐及喜庆典礼。26日上午，移灵仪式开始，放礼炮101响，灵榇加盖上覆国旗，用杠夫24人，继以32人，出碧云寺后，用杠夫64人。10时，灵榇进北平西直门，各界送殡代表及陆海空军、警察马步各队，各行列军乐队，已依原定行列次序在西四牌楼以北次第集合恭候，送殡行列共组12队。下午5时，在101礼炮声中，移灵专车离开前门火车站开往南京，沿途经天津、济南、泰安、徐州等站，各地方官员及民众举行隆重的路祭。
28日上午4时，灵车抵达蚌埠车站，国民政府主席蒋介石等人从南京来迎。是日上午10时，灵车抵达浦口车站，中央执监委员、国府委员、特任以上官吏在站迎候，一律着蓝袍黑褂白帽黑履黑袜，哀乐齐奏，狮子山炮台鸣礼炮101响，灵榇随后被转上“威胜”号军舰渡江。12时，舰抵中山码头，江上各舰下半旗鸣礼炮，移灵总干事孔祥熙率杠夫32名将灵榇奉移上陆。下午3时，灵车至中央党部礼堂，由杠夫32名奉移灵榇下车，举行停灵礼。是日下午 4时起至6月1日上午4时，由中央委员、各特任官蒋中正及以下66人每晚轮流守灵，三人一班，每班四小时。
6月1日上午，灵榇运至紫金山麓，用杠夫108名。10时1刻，在蒋介石的主持下，奉安典礼行礼如仪，恭扶灵榇奉安圹内，鸣炮101响，全体国民一律停止工作默哀3分钟。礼成后，孔祥熙率杠夫敬奉灵棕移进墓门，再鸣炮101响。至12时正，奉安毕奉安仪式结束后，宋庆龄率孙科夫妇等将墓门严扃。由是，经营数载、备极隆重的奉安大典遂告完成。
