袁世凯的称帝心理此时无限膨胀，一时各省劝进之风弥漫，阎锡山争先请愿，三次致电北平，说什么“诚以中国之情，决不宜沿用共和制度”，“今日改定君主国体，正全国人民希望诞登彼岸之机会，其关系中国前途治安更巨且大。我大总统为4万万人所托命，以大有为之才，乘大有为之势，毅然以救国救民自任，无所用其谦让。”并指示山西商务总会和各处票号，假借山西公民等名义分电请愿，早废共和，而立君主。果然袁世凯称帝后封阎锡山为一等侯。
袁世凯倒行逆施，遭到全国人民的反对。蔡锷、唐继尧等在云南成立护国军，发布讨袁檄文，向北京进军之时，阎锡山仍站在袁世凯一边，致电北京国务院，声称“滇黔等省竟以少数地方二三首领擅立政府，私举总统，实属破坏大局，不顾国家”。当袁就护国军反对帝制征询各地大员意见时，阎指斥唐继尧等为“不忠不义不仁不智”之徒，恳请皇帝“褫革唐继尧、任可澄、蔡锷等官职荣典，宣示罪状”。1916年3月，当袁被迫撤销帝制后，阎犹通电要求滇黔诸君“痛加悛悔”，否则他将把护国军将领“视为公敌，与众共弃，愿效前驱，以伸挞伐”。阎锡山拥戴袁世凯称帝，可谓不遗余力。后来他竟然说，这乃是根据孙中山的指示，为了保存北方革命力量而采取的措施。
不料袁世凯称帝后引起全国一片讨伐声，83天的皇帝梦很快就被粉碎了，袁世凯在惊恐中一命呜呼。这时阎锡山又开始其残酷的排斥异己的活动：逼迫曾一同革命过的旅长黄国良交出军权，离开山西；撤掉原来曾为他在袁世凯前大力周旋的董崇仁的晋南镇守使之职；又逼迫早年他弃城而逃远走包头时，为他出过大力的孔庚交出晋北镇守使之职。同时将旅长以下的军官均换成自己的亲信。此外，他又策划夺取山西省行政大权，赶走了前后两任省长，自己以护理（即代理）名义擅刻印信，兼任了山西省省长。这时已是1917年的9月了。当时在北京的中央政府由段祺瑞任总理，他是北洋军阀中的核心人物，实权在握。阎锡山立刻遣员入京活动，并拜段祺瑞为师。当时北京政府内部分裂加剧，总统黎元洪与总理段祺瑞矛盾日益加深，阎锡山第一个拥戴段反对国会。不久段祺瑞的总理被撤，他又紧随安徽省长倪嗣冲，宣布脱离北京政府。张勋搞复辟带兵入京，他又和段祺瑞一起声讨张勋。
