一九一五年，袁世凱企圖推翻共和，恢複帝製，並準備於一九一六年一月改元登基。李烈鈞應蔡鍔等的邀約，到雲南參加護國反袁運動。李烈鈞是於這年的十二月間到達昆明的，因李曾在雲南講武堂及陸軍小學任教，與當時的雲南督軍唐繼堯及各方軍政人員相善，到達之後，即與先後到滇的程潛、熊克武、呂天民、方聲濤等人大力推動唐繼堯反袁。初時，唐繼堯雖同意反袁，但決心不大，仍持觀望態度，經李烈鈞等推動敦促，才較具決心。所以後來蔡鍔回到昆明，能於數天之內豎起護國討袁旗幟，順利開展反袁軍事行動，應與李烈鈞等的事先推動有關。
蔡鍔於同年十二月，帶領一班人員，經香港、越南，潛回昆明。蔡鍔到達後，即對各方麵說明當時國內的具體形勢，及他與各省聯係經過，認為隻要雲南帶頭起義，西南各省即可共同響應，從而堅定了唐繼堯及各將領的信心。於是，雲南即在十二月二十三日發出通電反對袁世凱稱帝，跟著於二十五日宣布獨立。與此同時，組成護國軍，由蔡鍔、
李烈鈞擬定作戰計劃，決定分兵兩路：一路由雲南出四川，直取武漢；
一路從雲南出兩廣、江西，最後會師武漢。同時，根據這個計劃，組成兩個軍，每軍轄兩梯團，四個支隊。蔡鍔任第一軍總司令，率部向四川進軍；李烈鈞任第二軍總司令，率部向兩廣進軍。
李烈鈞於十二月下旬至一九一六年一月間，率隊從昆明向滇桂邊境進發。時廣東軍閥龍濟光擁護袁世凱稱帝，並執行袁的命令，派出軍隊由他的哥哥龍覲光父子（其子龍少怡）率領，假道廣西，對雲南進行討伐。李烈鈞部於一九一六年二、三月間到達滇桂邊境百色附近，與龍軍遭遇。時龍軍號稱精銳，人數及裝備均優於滇軍，但由於護國軍號稱正義之師，士氣旺盛，所以一經接觸，即擊潰龍覲光部的一個軍，龍部向廣西百色、恩隆一帶潰退。而這時，廣西督軍陸榮廷由於岑春煊等的策動，早已秘密部署，計劃倒袁。當龍覲光部於三月中旬敗退百色之際，陸榮廷預先派定的馬濟部隊即把龍軍全部包圍繳械，龍覲光父子被擒。廣西亦於三月十五日，繼雲南、貴州（貴州已於雲南獨立後不久宣布獨立）之後宣布獨立。於是，李烈鈞部乃得兵不血刃進入廣西，旋即經南寧沿江直下，達廣東的肇慶，設總司令部於肇慶的龍母廟，結束了李氏護國戰役的第一階段。
當時，作為反袁運動首要之一的岑春煊，已到達肇慶，設護國軍都司令部於肇慶城內。李烈鈞部乃統歸岑春煊指揮，旋即於肇慶繼續東進，經三水、蘆苞，直出粵漢路的潖江口。時龍濟光感於形勢危殆，亦宣稱獨立，撤退西江，集中主力於廣州四郊，企圖堅守，以保持其廣東地盤，故李烈鈞部未經戰鬥，便抵達潖江口，並集其主力於附近一帶。跟著，即派一支隊北上，很順利地占領了韶關，旋即回師南下，進攻廣州。在源潭附近與龍濟光部激戰三晝夜，大敗龍軍，並尾隨追擊，直達江村、高塘之線。時龍濟光集中重兵，以石井兵工廠為中心，堅守著江村、高塘等地，形成隔江對峙態勢。時滇軍轉戰多月，力量消耗既大，加上後勤補給不繼，苦戰經月，仍無法渡江前進。與此同時，廣西宣布獨立之後，陸榮廷所遣派的莫榮新、譚浩明部亦沿西江直下，進抵石圍塘一帶，與龍濟光部隔江對峙，同樣無法渡江。這時，袁世凱稱帝未成，憂鬱死去，黎元洪繼任大總統，段祺瑞執政，各方聯合電責段祺瑞繼續任令龍濟光盤踞廣州，以至兵連禍結，糜爛地方。段祺瑞乃令龍濟光以瓊崖督辦名義率部移駐海南島。李烈鈞率部進入廣州。李氏護國戰役第二階段結束。
護國軍在李烈鈞部進抵廣東肇慶之後，一時參加護國運動的首要人物雲集肇慶，並在肇慶組成了軍務院，作為護國運動的最高領導機構，以與北方政府對抗。軍務院以唐繼堯任撫軍長，岑春煊任副撫軍長兼攝撫軍長職務，並以蔡鍔、陸榮廷、劉顯世、李烈鈞、陳炳焜等為撫軍，章士釗為秘書長，梁啟超為都參謀，李根源為副都參謀。這個集團由於各人的反袁目的不同，利害各異。及至段祺瑞執政之後，即被多方拉攏、收買、分化。結果，陸榮廷被委為廣東省督軍（旋又升任兩廣巡閱使，一班桂係嘍羅，皆雞犬升仙，陳炳焜、莫榮新相繼出任廣東督軍職位），政學係首要岑春煊則成為桂係的座上客，實際的幕後師爺。政學係的李根源也因出任陝西省長。桂係與政學係的反袁目的已達，乃於是年七月自動解散軍務院，護國運動宣布結束。而作為代表革命勢力的李烈鈞等，卻受到段祺瑞所代表的北方封建勢力的排斥，甚至連一個軍務院撫軍的虛銜，最後也撤除了，其內心的苦悶彷徨是可以想見的。所以，不久之後，即以赴滬休息為名，離廣州去上海，部隊仍駐於粵漢路至粵北一帶。這時，李烈鈞雖然沒有向我們說過什麼，但轟轟烈烈的護國運動的結果，隻成就了陸榮廷等一班新貴，這個事實的本身，不但很難使李烈鈞本人，甚至也很難使我們感到平靜。所以，如果說李烈鈞在新加坡時曾與岑春煊等有過一定聯係，則這次之後，他與岑春煊等實際已走上了不同的道路。