1912年（民国元年），改投冯玉祥手下，先后在第16混成旅、第11师逐步升职。1924年（民国13年）10月，冯玉祥发动北京政变，成立国民军，石友三任第1军第8混成旅旅长。民国14年（1925年）春，升任第6师师长。1926年（民国15年），率部在南口作战，山西省的阎钖山袭击国民军背后，石友三和韩复榘部队迎击晋军，作战十分勇勐。由于国民军战力处于劣势，同年8月放弃南口。第三军第一路司令张之江往绥远省撤退，被主力部队抛弃的石友三和韩复榘决定投降阎钖山。同年9月，冯玉祥归国举行五原誓师，石友三和韩复榘