1926年，升任团长。北伐战争开始，吴佩孚直系军一败涂地。马济转投山东军阀张宗昌，途中被河南红枪会刺死。庞汉桢率部投入国民革命军第七军任第五独立团团长。1927年6月下旬，国民革命军进军鲁南，庞率部击破台儿庄之敌。8月，宁汉分裂，蒋介石下野。军阀、安国军军团长孙传芳率数万人渡江卷土重来，占领龙潭等地，威胁南京。国民革命军第一、第二、第三路军，何应钦、白崇禧、李宗仁三位总指挥合击孙传芳，全歼孙军主力，解南京之围，使南北之间、宁汉之间的力量对比发生重大变化。庞汉桢在龙潭战役中率部奋力冲杀，俘获甚多，战功颇著。随后，所部改编为第七军第一师第三团。

1928年冬，第七军在武汉改编为第十五师，庞汉桢任第十五师第六旅团长。当时蒋桂之间，势成水火，战争一触即发。蒋介石暗中通过俞作柏等人策划，收买第十五师第六旅旅长李明瑞等在战场倒戈，庞亦参与其间。蒋桂之战发生，庞随李明瑞突然移师花园、孝感公开反对桂军李、白。后庞又回李宗仁部下，不久，该部桂军在蒋军的武力压迫下解体，庞汉桢去职返乡。

1930年，中共领导龙山起义，建立左江根据地；3月，红八军第一纵队围攻靖西。庞汉桢纠集靖西各镇民团袭击红八军，被当地官绅选为靖西县长和民团指挥官。

1931年，庞汉桢进入黄埔军校南宁分校高级班学习，毕业后到广西，在桂系军队中先后任旅长、副师长兼桂林区民团副指挥官等职。

1937年7月7日，日本帝国主义发动卢沟桥事变，全面侵华开始。此时，庞汉桢任第7军第170师第510旅少将旅长，面对日本帝国主义的大举入侵他忧心如焚，多次请缨杀敌。

8月13日，日军在上海向中国守军开枪挑衅，中国守军奋起还击，淞沪会战爆发。由于淞沪战局吃紧，急需部队增援，南京大本营电令桂军第21集团军立即开赴淞沪战场，隶属第三战区。第21集团军下辖第7军、第48军、第84军，共9个师，皆是李宗仁、白崇禧桂系能打能拼的王牌部队，在地方军阀中享有威名。

9月，正当淞沪会战中日双方激战正酣之时,庞汉桢率部随第7军从桂林出发，开赴上海战场与日本侵略军作战。此时，淞沪方面日军已逐步增至6个师团以上，突破了中国军队蕴藻浜一带的防线纵深5公里。

10月18日晚，第三战区司令长官部决定分三路反击蕴藻浜一带日军，改变其侧翼受威胁的不利态势。庞汉桢旅编入第一路攻击军，担负由谈家头到陈家行之间向日军桥亭宅、顿悟寺一线反击的任务。

10月19日夜，庞汉桢部进入阵地。21日，中国军队开始反击，战斗十分激烈，在日军飞机、大炮的凶猛火力下，中国军队的反击行动未能奏效。22日，日军在飞机、重炮配合下，疯狂进攻中国军队阵地，中国军队拼死抵抗，无奈众寡悬殊，阵地陷于敌手。庞汉桢得知阵地失守的消息，心急如焚，当晚亲率预备队由战头桥向陈家行反攻，双方战斗惨烈，以至白刃格斗。经过数次冲杀，庞汉桢部终于杀退敌人，将该阵地全部夺回。23日，大量日军增援淞沪战场，日军全线出击，再次猛扑陈家行阵地，庞汉桢面对数倍于己的日军和强大的火力，毫不退缩，率部坚守阵地，顽强抵抗日军的进攻，部队伤亡惨重。日军重炮对庞汉桢部阵地狂轰滥炸，庞汉桢仍督部抗敌，不幸被日军炮弹击中，当即壮烈殉国，时年 36 岁。

1938年2月，国民政府明令追赠陆军中将。

1985年2月16日，广西壮族自治区人民政府追认庞汉桢将军为革命烈士。