1911年3月にビリャはマデロを支持し、ディアスの連邦軍とのシウダ・フアーレスの戦い
（英語版）に加わった。5月末にはディアスが大統領を辞任、国外逃亡し11月にはマデロが選挙の末大統領に就任する。翌年の3月に解放軍のメンバーだったパスクアル・オロスコが反乱を起こし、ビリャは義勇兵を指揮しビクトリアーノ・ウエルタ将軍の元でオロスコ軍と戦う。オロスコは9月にアメリカに亡命するが、その戦いのさなかの6月、ビリャはウエルタの命令で逮捕され、処刑の命が下される。ビリャはマデロ大統領の命令で処刑が延期され、陸軍刑務所に収監されたが同年末には法廷書記官カルロス・ハウレギの手助けで脱獄しアメリカのアリゾナ州に逃亡する。1913年2月にウエルタはクーデターを起こし、マデロを殺害、大統領に就任した。当時チワワ州の知事だったゴンサーレスはウエルタによって逮捕、殺害された。ビリャは自分の理解者がウエルタによって殺害されたことで彼に対する復讐心を燃やした。
ウエルタのクーデターに反対する動きが、コアウィラ州知事ベヌスティアーノ・カランサを筆頭に起こった。ビリャは彼の元に集まった兵達と共に革命軍に加わり、カランサを第一統領とする「護憲軍」が結成された。ビリャは8月にはアセンシオンを出て南に向かい、ナサス湖畔での会議で「護憲軍北部師団」の司令官となる。このころ、ジョン・リードが北部師団と行動を共にしている。同年10月に、ビリャは奇策によって米国との国境の要衝シウダ・フアーレスを占領、11月には反撃するウエルタ政府軍をフアレス市近郊のティエラ・ブランカで破り、ひきつづき州都チワワ市を占領してチワワ州全域を解放した。翌年4月には鉄道の要衝トレオンを攻略。ウエルタは7月に退陣し、スペインに亡命した。同月にカランサが暫定大統領に就任するが、既成の体制を維持しようと旧支配層との妥協を図ったカランサに対し革命勢力は反発、ビリャは「メキシコ国民に対する宣言」を発表する。
10月に革命軍の代表者によるアグアスカリエンテス会議が開催され、エウラリオ・グティエレス（英語版）が臨時大統領に指名されるがカランサはこれに反発。ビリャは正規軍の総司令官に任命される。両者は各地で戦火を交えるが、その隙の11月26日、エミリアーノ・サパタの率いるサパタ派がメキシコシティを無血占領、12月7日ビリャ、サパタ、グティエレスの三者会談でサパタ派がメキシコシティを防衛することで合意した。グティエレスはカランサと秘密交渉を行い、ビリャによって処刑指令が出されるが逃亡する。
一方のカランサはソノラ州軍の司令官アルバロ・オブレゴンと手を結びベラクルスから反撃、国軍のほとんどがカランサ側に付き、サパタ派は敗走しメキシコシティがオブレゴン軍の手に落ちる。オブレゴン軍は1915年の4月にグアナファト州セラヤでビリャ軍と激突、塹壕と機関銃を組み合わせた新戦法を取るオブレゴン軍に対し、騎兵の突撃を繰り返したビリャ軍は大敗し、チワワ州に敗走しゲリラ戦を行うようになる。7月に全土をほぼ平定したカランサは大統領に就任する。アメリカ合衆国も10月19日にカランサを承認する。11月、第二次アグアプリエタの戦い（英語版）。 ビリャはカランサを承認したアメリカに抗議、1916年1月11日にチワワ州内で列車に乗っていたアメリカ人鉱山技師ら16人を殺害、3月9日には1,500人を率いて国境を越えニューメキシコ州コロンバス
アメリカ軍のビリャ討伐遠征
ウッドロウ・ウィルソンアメリカ合衆国大統領は3月15日、懲罰のための遠征部隊12,000人をジョン・パーシング将軍の指揮下メキシコに派遣した。このときのパーシングの副官がジョージ・パットン中尉である。この遠征はアメリカではパンチョ・ビリャ遠征（英語版）として知られる。遠征中にアメリカ軍初の航空機による戦闘任務が下され、索敵のため8機のカーチスJN-2（英語版）が3月19日に飛行している。しかしチワワ州で圧倒的な人気のあったビリャは、米軍に捕らえられることはなかった。6月に入り、アメリカ軍はカリサル村（スペイン語版）でビリャ軍と誤認してメキシコ政府軍と衝突、カリサルの戦闘としてアメリカとメキシコの緊張が高まった。事件が原因となり遠征は失敗、1917年1月28日にビリャの探索は打ち切られた。 1920年の和平協定でビリャ軍は武装解除され、ビリャは故郷のチワワ州で広大な土地を得て3人の妻と6人の子供、革命活動の同志やその家族たちと農場を経営し農園主として平和に暮らしたが、1923年7月20日に友人の子供の名付け親になるためパラル市
暗殺