19年10月，率西北边防军第一师进入外蒙古，以武力迫使外蒙古在1919年11月17日外蒙撤治，由中华民国北洋政府直接统治。孙中山电贺其成就可与傅介子、班超相比。1920年，直皖两系军阀斗争激烈，徐树铮被罢免，任远威将军，留北京代职。直皖两派最终爆发直皖战争，徐任皖系定国军副总司令兼参谋长。战败后，段祺瑞下台，徐被指控为“十大祸首”之最而遭通缉拿办，借日本使馆之助逃到天津，后潜入上海公共租界内匿居。1921年，孙中山计划联合段祺瑞、张作霖组成三角同盟，北伐讨直。徐代表段祺瑞于次年初赴桂林与孙中山晤谈。