袁世凯的真面目，早为一部分革命党人所认识，吴禄贞就是其中之一。阎锡山在吴禄贞的劝说下，与吴禄贞共组了“燕晋革命联军”，吴禄贞任大都督兼总司令，阎锡山和张绍为副。两军相联，公然打出反清旗号，出兵石家庄，一时在北方造成强大的革命声势。并决定会师北京，推翻清朝。
此时正在湖北指挥清兵与革命军作战的新任内阁总理大臣袁世凯闻此讯，气急败坏，对二人恨之入骨，以重金收买吴的旧部周符麟将吴刺杀。联军一时群龙无首，立即瓦解，不久，阎锡山则率部撤回娘子关。不久袁世凯回京后派兵进攻山西，娘子关失守，阎锡山率部撤出太原，一路攻入包头。1912年2月，清帝退位，袁世凯窃据临时大总统之位。阎锡山见大势已定，便率部返晋。谁知袁世凯仍记前嫌，说他在清军进攻山西时弃城出走，不承认山西是起义省份，电令其部队不准擅自行动。
阎锡山又开始了他最擅长的钻营活动，他找到和袁世凯拜过把子的定襄县董崇仁，邀其随员入京星夜拜见袁世凯，表达自己竭诚拥护袁世凯之意；同时派人到上海找孙中山求援。经两方面的努力，袁世凯才同意阎锡山为革命党人，并任其为山西都督。阎锡山才得以重返太原，从此成为山西王。
当时，山西的新旧两派倾轧较烈，阎锡山玩弄两面三刀，对同盟会则拥护共和，对袁世凯则支持立宪。同年8月，同盟会改组为中国国民党，阎锡山被选为参议，可是他表面上应付孙中山，暗地里向袁世凯周围的亲信行贿，还不惜将自己的父亲阎书堂送往北京长住，表示向袁世凯送押了人质，以取得袁世凯对他的信任，并巩固了他在山西的地位。
1913年国民党发动的第二次革命失败以后，袁世凯把各省由原同盟会会员任都督的人大都撤换了，只留下山西的阎锡山和云南省的唐继尧未动。同年10月，袁世凯正式就任大总统，11月4日下令解散国民党，阎锡山马上执行，三个月内将山西全省的国民党党部一律解散了，自己也声明脱离国民党，并听任袁派到山西的爪牙金永（山西巡按使、民政长）肆意打击、迫害以至杀害同盟会员。第二年夏，袁世凯改各省的都督为将军，阎锡山被任为同武将军，督理山西军务。从此他完全投靠了袁世凯，残酷镇压革命党人，并在全省军政机关中安排自己的同乡和亲信，以巩固自己的统治。
