奔旧桂系陈炳焜，被任命为广西巡防营副司令。1920年其暗地与粤军相通，被委为广西陆军第一师师长。1921年粤桂战争中倒戈反桂，结束了旧桂系对广西的统治，翌年出任广西绥靖处督办。1922年6月陈炯明叛变孙中山后，刘被孙委任为中央直辖桂军第二路总司令，讨伐陈炯明，后又出任西路讨贼军总司令。1923年1月击败陈炯明，2月迎请孙中山回广州。1924年1月，当选国民党第一届候补中央监察委员。同年被任命为广西省省长，但因新桂系李宗仁、黄绍竑的反对未能赴任，后改任建国军桂军第三军军长。1925年刘震寰支持唐继尧就职广