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1924年10月13日上午，孙中山偕宋庆龄、汪精卫、李烈钧等20多人乘“永丰”舰北上，14日，到香港转乘其他船往上海。17日，孙中山到达上海，到码头欢迎的群众有万余人。
但是北京的时局瞬息万变。在孙中山还在路上的时候，11月15日，为了阻止长江地区的直系势力北上，冯玉祥不得不与张作霖、卢永祥和胡景翼、孙岳五人联名把段祺瑞推上了临时总执政的位置。本来由冯玉祥打开的新局面，变成了驱虎换狼的和局——冯本人也被排斥，他的国民军名义被陆军部撤销，不久，他又被调离北京，派到张家口当西北边防督办。孙中山到北京的时候，见到的将是段祺瑞而不是冯玉祥了。
对段祺瑞出任执政之既成事实，孙中山既表现出不计得失的大度，也满怀无法施展政治抱负的无奈。虽然并不对北京政府抱很大的希望，但他还是依然决定北上。12月4日中午，孙中山一行乘船到天津。虽然法租界已经戒严，不许船靠岸，但是船还未到，已经有5万左右的群众在码头等候。
孙中山没有见到段祺瑞前，不得不先见在天津的张作霖，事先孙中山让汪精卫写了一封信，与之约定往访时间，出发前，随行的李烈钧提醒说，当年刘邦在鸿门宴上会项羽，有张良、樊哙随行，代为出谋划策，得以平安无事，“现在总理访张雨亭，当然也要带一些人员同去，不知道派哪些人随去恰当？”孙中山经过考虑，决定带邵元冲、孙科、李烈钧、汪精卫同行，当时张作霖住在天津海河北岸的曹家花园，他得知孙要拜访，立即传令部署，非常森严。
李烈钧的回忆录描写，孙中山一行到了张的行辕门口，张作霖没有亲自迎接，派遣张学良出来引领，到了会客厅，也没有立刻出来相见，而是等候许久，才出来，并且坐在上席，显示出盛气凌人之势，孙中山看见这样子，当然不高兴，宾主之间居然陷于短时间的沉默，一时局面很僵硬，经过一番沉闷和静寂，最后还是孙中山打破僵局，开口说：“昨天到了天津，承派军警前往迎接，对于这种盛意，非常可感，所以今天特来访晤，表示申谢。”接着又说，这次直奉之战，赖贵军的力量，击败了吴佩孚，推翻了曹、吴的统治，实可为奉军贺喜。张作霖听罢，眉宇间流露出不欢喜的样子，说：“自家人打自家人，有什么可大惊小怪的，更谈不上可喜可贺了。”
会谈中，老奸巨滑的张作霖对孙中山软硬兼施，他一方面劝孙中山放弃联俄主张，由其做中介与各国公使修好，另一方面公然地对孙中山声称：“我是一个捧人的人，可以捧他人，即可以捧你老。但我反对共产，如共产实行，我不辞流血。”
由于劳累和受寒，自张作霖处返回，孙中山便感身体不适，发冷发热，肝部隐隐作痛。原打算在天津稍事停留尽早入京的孙中山，不得不在天津休养。此后，孙中山“虽然病卧在床，接见重要同志及宾客，仍是每日不断”。然而，皖、奉军阀的所作所为，加重了孙中山的病情。
1924年12月7日，段祺瑞与日本记者谈话中公然宣称：“孙所言之废除不平等条约，余殊不能赞同。”翌日，又发表宣言，表示尊重与列强所缔结的不平等条约。12月18日，段祺瑞派遣代表叶恭绰、许世英来见孙中山，在病榻上的孙中山闻知此事，极为愤怒：“我在外面要废除那些不平等条约，你们在北京，偏要尊重那些不平等条约，这是什么缘故？你们要升官发财，怕外国人，又何必来欢迎我？”也许是怒火攻心，当天孙中山的病情就加重了，经诊断，肝脏上有显著肿痛，体温接近正常，但脉搏跳得很快。
尽管失望日甚一日，但是在孙中山书面回答天津民众的信件中，仍然可以看见他的坚定，“兄弟此来，不是为争地位，也不是为争权力，是为特来与诸君共同救国的。13年前，兄弟与诸君推倒满清政府，为的是求中国人自由平等，然而我们中国人的自由平等，已被满洲政府从不平等条约里卖给诸国了，以至于我们仍处于次殖民地社会，所以我们必须要救国。”
生命的最后时刻（1）
1924年12月31日上午11时，病中的孙中山和宋庆龄、汪精卫等人由天津入京，遵冯玉祥之嘱迎接孙中山进京的鹿钟麟回忆，当天天气并不好，“刮起了凛冽的朔风，灰暗的乌云压得低低的”。但前门东车站一带已有数不清的学生和民众已经在那里聚集了，人人手中拿着小旗帜，上面写着“欢迎首倡三民主义、开创民国元勋、中国革命领袖孙中山先生”。
见到孙中山前，鹿钟麟“极度兴奋”，心想总算能见到景仰多年的伟大领袖了，但是他走进车厢的时候，还是大吃一惊。“孙先生不是坐着而是正躺在卧铺上，先生的随行人员环伺在他周围，从孙先生憔悴的面容上看，他的健康情况已很不好。”病中的孙中山枕边都是书，手上也拿着书在看，见到鹿钟麟，很吃力地将书放下，和他握手，并说了些客气话。
孙中山住进北京饭店，就开始请医生诊断。1月5日，经协和医院德、美7位医师会诊，决定以药针治疗。但经过半月诊治，病情仍毫无起色。1月21日，孙中山病情加重，体温升降失常，脉搏加快。23日，德国医生克礼建议外科手术治疗，但念及孙中山体力不支，众人又迟疑不决。后决定由协和医院法国医师注射药针，共注射11次，体温脉搏恢复原状。但自此以后，不能进食，进则呕吐。
在孙中山抵达北京的第二天，正好是1925年元旦，段派儿子段宏业和执政府秘书长梁鸿志到北京饭店向孙中山贺年，孙中山表示自己病体未愈，不能多为劳动，要几十天后才能与段会面。事实上段在暗地里已经开始展开了与孙的周旋斗争，一直操纵着善后会议。孙中山虽然明白，但是表面上还要与段应酬。因为各方前来拜访的人极其多，他为了减少精力消耗，把自己的人分成几组，汪精卫和于右任等人接待军政两界，于树德等接待社会人士，黄昌谷、杨杏佛接待中外新闻记者，这样他才能安心静养。
经夫人宋庆龄劝说，1月26日，孙中山同意入协和医院施行外科手术。当天下午，由协和医院外科主任邵乐尔为孙中山主刀。当医生在孙中山右部腰侧割开后，“只见整个肝脏表面、大网膜和大小肠上面长满了大小不等的黄白色的结节，结节发硬，将腹脏之器官连在一起，脓血甚多，所患为肝疾绝症，无法割治”。手术只用了25分钟就进行了缝合。医生们认为，仅凭肉眼便可确定孙中山患了肝癌。活检结果证实了这一结论。
1月30日，手术伤口拆线后，孙中山感觉良好。2月初，医生向孙中山如实汇报了诊断结果，他听后“安静而勇敢，决计与病魔抵抗，继续接受镭治”。当时有种用镭锭治疗癌症的实验，但是疗效甚微，从2月开始，孙中山隔日用其治疗，当时的医学试验证明，用镭锭治疗，50小时没效果，那就是无药可治了。到2月16日，孙中山用镭锭治疗已接近45小时，对于病症只是稍微减轻了痛苦，没有其他功效。
2月17日，协和医院以实情告以家属，称孙中山先生的病已无法治好。
2月18日，孙中山在宋庆龄、孙科、汪精卫、孔祥熙等陪同下，从协和医院移入铁狮子胡同11号行辕，改由中医治疗。为孙中山诊治的是北京著名中医陆仲安。孙中山服用第一、二剂中药后，安睡良好，脚肿尽消，气色转佳，众人皆以为会出现奇迹。岂料第三剂中药服后，孙中山便开始腹泄，陆大夫也表示爱莫能助。每逢友人、同志前来探视，孙中山常老泪纵横，叹息不已。
这段时间，宋庆龄在病榻前日夜服侍，几乎没有正常睡眠，从广州赶来的何香凝说：“（宋庆龄）从没有正常睡过，真使我感动”。然而宋庆龄这样的操劳并没有感动上苍，孙中山的病情还是持续恶化。
孙中山入住协和医院时，为应付时局，汪精卫、陈友仁在北京设立了国民党中央政治委员会，汪精卫、于右任、李大钊、李石曾、吴稚晖、邵元冲、陈友仁为政治委员会委员。政治委员会多次开会研究孙中山遗嘱草稿。2月24日下午，医生提醒家属，孙中山的病情加重，不如趁他还清醒，请示遗言。经宋庆龄同意，汪精卫、孙科、宋子文、孔祥熙四人为代表进入病房。孙中山病情虽很严重，但神志却清醒，见汪精卫诸人欲言又止，就问：“你们有什么话要对我说，不妨说吧！”
汪精卫以委婉的语气对孙说：“当先生住进协和医院时，同志们都责备我们，为什么不请先生留下一点教诲，以资遵循。先生如果早日康愈，这些教诲也是我们的典范。先生虽有力量抵抗病魔，我们也愿意替先生分忧，今天先生精神颇好，应该留下一些教诲，让同志们受用。”
孙中山听后，闭上眼睛沉默了一会，然后睁开眼睛郑重地说：“如果我的病痊愈，我要说的话很多，待我先赴温泉休养，静静地想一想，以后再讲给人们，万一我死了，就由你们去做吧。”
汪精卫等人再请孙中山，说国民党正处关键时机，如果党的领袖没有一个指导方针，大家很难有所抉择。孙中山沉默了很久，才说：“我死之后，这些敌人不会放过你们的，他们或许使用其他方法使你们软化，前途确是危险，我不说也好，因为如此你们较容易应付未来的环境。”孙中山歇了一会儿，又说：“我著的书不是很多吗？各同志可以好好念念。”
汪精卫在旁边小心答道：“我们还是请求先生留几句话下来。”孙说：“你们要我说些什么？有没有替我考虑？”汪说：“我们已经预备了一份稿子，请先生核定，现在我念给先生听。”孙中山睁开眼睛说：“好，就念给我听吧。”
生命的最后时刻（2）
于是，汪精卫就把草拟好的稿子念给孙中山听。第一篇是政治遗嘱，后来被精练成著名的一句：“革命尚未成功，同志仍须努力”。全文是：
余致力国民革命，凡40年，其目的在求中国之自由平等。积40年之经验，深知欲达到此目的，必须唤起民众及联合世界上以平等待我之民族，共同奋斗。现在革命尚未成功，凡我同志，务须依照余所著《建国方略》《建国大纲》《三民主义》及《第一次全国代表大会宣言》，继续努力，以求贯彻。最近主张开国民会议，乃废除不平等条均，尤须于最短期间促其实现，是所至嘱！
第二篇是家事遗嘱，内容是：
全因尽瘁国事，不置家产。其所遗之书籍、衣物、住宅等，一切均付吾妻庆龄以为纪念。余之儿女已长成，能自立，望各自爱，以继余志。此嘱。
这两篇遗嘱，孙中山都感到满意，汪精卫本想开门取笔墨以请孙中山签字。这时，孙中山听见屋外传来宋庆龄悲哀的哭泣声，便对汪精卫说：“你且暂时收起来吧！我总还有几天的生命的。”
此后，孙中山的病情更加恶化， 全身浮肿，德国医生克礼继续治疗，又请了留学日本的医生王纶用新发明的药水隔日注射，但是连续注射后，腹水有增无减。至3月10日，孙中山身边的医生已经束手无策。他的脉搏每分钟已经跳到了156次。可是这种时候，他还是很关心东征军的进展，让来京的何香凝告诉廖仲恺，不要来京，以免耽误广州的工作，让汪精卫电报给东征军：“不可扰乱百姓”。
3月11日上午，守候的何香凝见孙中山的瞳孔已经开始散光了，就叫汪把遗嘱拿出来签字，大家怕宋庆龄再度悲泣，使孙中山不忍签字，何香凝就把情况对宋进行了说明，宋庆龄说，已经到了这个时刻，我不但不阻止你们，还要帮助你们。大家走到榻前请示，宋庆龄含着泪，抬起孙中山颤抖的不能自持的手腕执钢笔在三份遗嘱书上签字。此时，孙中山的英文秘书陈友仁，送上一份由陈友仁和鲍罗廷起草的致苏俄遗书英文稿，由宋子文读给孙中山听。遗书表达了对苏联的敬意，希望国民党在民族革命运动中与苏俄“合力共作”。这一体现孙中山“中俄合作”思想的文件，最终也由孙中山签字。
这时候，屋子里的气氛悲痛到极点，孙中山神情安详，他对移开签字桌的护士说，谢谢你，你的工作快完成了。周围的人再也忍不住了，失声痛哭。孙中山把孙科、女婿戴赛恩叫到床前，告诉他们要“善待夫人”，宋庆龄尤其悲痛到极点。
下午，他的病情持续恶化，他拉着何香凝的手，连说两句“廖夫人”，何表示她知道孙改组国民党的苦心，“孙先�