迪亚斯的暴政不仅使广大人民忍无可忍，也触犯了墨西哥资产阶级和自由派地主的利益。1910年10月15日,资产阶级领袖弗兰西斯科·马德罗发表《圣路易斯波托西计划》，号召人民推翻迪亚斯政权。墨西哥革命遂于11月20日爆发。这时，比利亚在奇瓦瓦市结识了著名的马德罗派革命者阿勃拉汉·冈萨雷斯，接触到资产阶级民主思想，于是宣布拥护马德罗，率部加入革命军，矢志推翻迪亚斯独裁政权，为广大农民争取土地而战斗。由于比利亚在人民群众中的崇高威望，起义一呼百应，很快拉起了一支庞大的队伍。比利亚指挥着这支部队在圣安德列斯和伊莎贝拉等战役中接连取胜，从而显露出他的军事才能。
1911年4月，比利亚与另一支农民军会合，抵达迪亚斯重兵防守的北方重镇胡亚雷斯城。5月9日攻城开始，激战两天后，革命军占领该城，生俘敌城防司令。是役震动全国，鼓舞了人民的斗志，给予独裁政权以沉重的打击，使迪亚斯政府与革命派之间的力量对比发生了决定性的变化。克城之后，马德罗立即组成全国政府。全国各地的革命军纷纷主动出击，仅仅两周，迪亚斯即被迫辞职，反动政权全面崩溃。 1911年10月，马德罗在大选中获胜，资产阶级和自由派地主掌握了政权。新政府下令解散农民军，继续向农民许诺解决土地问题。比利亚轻信了昔日的盟友，解甲归田，回到奇瓦瓦州过起平民生活。 1912年3月，原北方农民领袖奥罗斯科在美国垄断资本家和北部大庄园主的支持下发动反革命叛乱。比利亚重操旧戈，积极参加了平叛活动，因军功卓著晋升为将军。他亲率部队，直捣叛乱中心奇瓦瓦州一带。美国实业界在这一地区投入了大量资本，比利亚的军事行动使许多美国人以“志愿兵”身份参加了奥罗斯科的叛军。比利亚针锋相对，公开声明：美国“志愿兵”一经俘获，立即处决。当然，有事做的过火了，连过来采访革命的美国记者安布罗斯·比尔斯（魔鬼词典的作者）都给杀了。但后来的约翰·里德就没杀。比利亚的民族革命精神受到亲美派的仇视。墨西哥军队总指挥维克托里亚诺·韦尔塔于1912年6月逮捕了比利亚，并将其押赴墨西哥城。在特拉代劳科军事监狱中，比利亚刻苦学习文化，并初步了解了南方农民运动领袖萨帕塔的土改思想。同年11月比利亚越狱，流亡美国。
1913年2月，在美国大使的亲自谋划下，迪亚斯旧部发动叛乱，反对马德罗政府，成立以韦尔塔为首的新内阁，实行独裁统治。科阿韦拉州的冈萨雷斯和索诺拉州的贝努斯提阿诺·卡朗萨的拥护者阿尔瓦罗·奥布雷贡，分别组成东北师和西北师，起兵反抗韦尔塔。比利亚获悉后，星夜越境回国。4月重新组建农民武装，提出了“恢复宪法自由”的口号。比利亚领导的农民军对地主阶级和反革命毫不留情，没收他们的土地，剥夺他们的财产，其革命影响很快遍及整个墨西哥北部。为了壮大革命阵营的力量，1913年5月比利亚宣布加入贝努斯提阿诺·卡朗萨领导的护宪运动，同资产阶级再次结成联盟，同时声明自己的农民军不接受他人的指挥。这样，既建立了反独裁的统一战线，又保持了农民军的独立性。9月，比利亚着手整顿北方农民军各部力量，建立了北方师。比利亚领导的北方师同西北师和东北师一道，组成了护宪运动的三支主要军事力量。一个月后，北方师东渡那萨斯河，直插科阿韦拉州府托雷翁市。经过激烈的战斗，攻克托雷翁，北方敌军同韦尔塔反动政府的联系要道被切断。反动政府急忙集重兵于***和国中部，企图阻止南下。但是，比利亚出奇兵折军北上，于11月再克边境重镇胡亚雷斯城，切断了北方政府军从美国获得给养的通道。12月，在德拉布兰科,北方师一举围歼敌军5千余人，而后乘胜轻取奇瓦瓦市，该州全境解放。
1914年3月，以奇瓦瓦州为根据地，比利亚移兵拉古那地区。这里是政府军的给养重地，反动军队企图依据几个重要城市，拖住北方师，阻止其南下，3月底至4月初，比利亚三战三捷，收复了拉古那地区，从而全部解放了***和国北部，比利亚的北方师实际控制了整个北部地区。稍加整顿后，比利亚亲率北方师南下，于6月中旬抵达首都北大门萨卡特卡斯城。几天后，北方师全歼守敌，北方通往墨西哥城的门户被打开，韦尔塔反动政权面临着全面崩溃。随着韦尔塔封建复辟政权崩溃，资产阶级同农民起义军的分裂日益明显。以卡兰萨为首的资产阶级护宪政府唯恐比利亚军事上的节节胜利危及即将建立的资产阶级政权，7月初，卡朗萨授意东北师将领出面调解比利亚同他的冲突，以此拖住北方师，争取时间，让西北师避实就虚，火速南下，抢占首都墨西哥城。同月，比利亚的代表同东北师将领在托雷翁作出“金条款”决议。决议声明为工人谋取福利，向农民分配土地，惩罚与革命为敌的教会神职人员，在墨西哥建立民主制度等等。决议最后庄严声明，在上述任务未完成前决不放下手中武器。
1914年7月15日，韦尔塔辞职。封建复辟政权的垮台促使资产阶级同农民本来就很脆弱的联盟迅速破裂。卡朗萨发表声明，拒不接受“金条款”决议。9月比利亚发表宣言，揭露卡朗萨企图消灭农民军的阴谋，声明不承认其“元首”地位，建议各地革命军推选一位文职人员担任总统，实行大选，恢复宪法秩序，着手进行社会经济改革。 通过全国革命力量代表大会，比利亚和萨帕塔的农民军联盟将墨西哥革命推进到新的阶段。在强大的南北农民军的压力下，卡朗萨政府被迫放弃首都，逃向南方。
1914年12月，比利亚同萨帕塔在索奇米尔哥会晤并达成协议，实行了全面的政治、思想和军事联盟。但由于军事指挥权上的分歧，统一的军事指挥机构未能建立。12月6日，比利亚和萨帕塔率领南北农民革命军浩浩荡荡进入墨西哥城，受到首都人民的热烈欢迎。质朴的农民军将领缺乏政治斗争经验和严密的政治纲领。比利亚认为，自己不识字，不能担任总统，萨帕塔也同样无意于总统职位。在有利形势下，农民军没有建立自己的政府，也未能乘胜追击资产阶级逃亡政府，仅只忙于颁布土地改革和社会改革法令。与此同时，资产阶级军队争取到了时间，疯狂反扑。按照南北农民军联盟的计划，1915年1月比利亚率北师撤出首都，向北挺进消灭北方守敌。资产阶级政府军事总指挥奥布雷贡率主力部队北上，寻找北方师主力决战。4月至7月，双方在***和国中部地区各投入4万兵力，展开了四次决战。结果比利亚失利，被迫率余部退入深山，开展游击战争。 1917年资产阶级制定了新宪法，向工农群众作出了让步，将劳工立法和土改的要求纳入宪法。墨西哥社会日趋稳定。比利亚的政治和武装斗争屡遭挫折。1920年，卡朗萨政权被推翻，临时政府成立。临时政府比较坚决地实行1917年的宪法，在土地等问题上向农民作出了更大的让步，同时比利亚只剩下几百名老战士，已无力与政府军对抗，同年6月，只得与临时政府的代表达成协议，宣布放弃政治和军事生活。1923年，墨西哥国内局势重新恶化。资产阶级统治集团十分惧怕比利亚的革命声望，于1923年7月20日派人暗杀了这位革命战士。比利亚终年仅45岁。