1908年10月17日，段祺瑞任會考陸軍留學畢業生主試大臣。11月慈禧和光緒先後病死，攝政王載灃欲殺袁世凱，段祺瑞製造假的兵變，致使載灃不敢動手。
1909年1月2日，軍機大臣、外務部尚書袁世凱被“著即開缺，回籍養屙”，袁世凱臨走前將北京私宅贈與段祺瑞，段祺瑞仍留軍中，常赴河南彰德與袁世凱密議。12月29日又任陸軍第六鎮統製。
1910年5月25日，清廷以段祺瑞督辦北洋陸軍學務有功，賞頭品頂戴。12月18日加侍郎銜，外放任江北提督，駐江蘇清江浦，負責本地治安。
1911年10月10日，革命黨人在武昌發動起義。武昌起義，給袁世凱一個難得的機會。
清政府開始決定由陸軍大臣蔭昌赴鄂剿辦，然而，蔭昌手中無一兵一卒，好不容易調來一些軍隊，卻又不聽指揮。10月11日，漢陽光複，12日，武漢三鎮全部光複，接著，許多地方出現了動蕩的前兆。
麵對分崩離析的局麵，載灃束手無策，內閣總理大臣奕匡和內閣協理大臣徐世昌、那桐乘機進言重新起用袁世凱，處在窘境中的載灃別無良策隻好采納。10月14日，武昌首義後第四天，清政府任命袁世凱為湖廣總督兼辦剿撫事宜。段祺瑞接到袁世凱密電，去彰德開會。
10月20日，徐世昌秘密趕赴彰德，和袁世凱密商後，帶著袁世凱提出的六個條件回到了北京。這六個條件是：明年即召開國會；組織責任內閣；寬容參與此次事件諸人；解除黨禁；須委以指揮水陸各軍及關於軍隊編製之全權；須予以十分充足之軍費。清政府在一籌莫展之下，隻好飲鴆止渴，10月27日，連續下四道上諭：召回陸軍大臣蔭昌，委任馮國璋和段祺瑞分別統率第一軍和第二軍，授袁世凱為欽差大臣，節製海陸各軍等。
10月30日，下罪己詔，11月2日，任命袁為內閣總理大臣。袁世凱大權在握，夙願已償，立即電令馮國璋向漢口發動進攻，同時電令段祺瑞的第二軍由洛陽向前推進，並沿途布置。這之前，10月29日，北方發生了一件意料不到的事，二十鎮統製張紹曾聯合部分將領，屯兵灤州，發動了兵變。袁世凱對此大發其火，對段祺瑞說：“我說過北方不能亂。我最擔心的也在此。現在張紹曾果然鬧起來了。朝廷上下，為之震動，京畿直隸，人心不安。此事必須盡快解決！”
11月2日，為了穩住二十鎮，清政府特派第六鎮統製吳祿貞前往灤州撫慰，誰知吳祿貞是個比張紹曾更為激進的革命黨人。他在娘子關正太鐵路車站與閻錫山秘密會晤，商定組織燕晉聯軍，三路夾擊北京，吳被推為聯合大都督兼總司令。袁世凱收買人刺殺了吳祿貞，二十鎮兵變也隨之失敗。
1月17日，清政府電命段祺瑞為湖廣總督，兼辦剿撫事宜，12月8日，又讓馮段對調，馮為第二軍軍統，段為第一軍軍統。正當馮國璋莫名其妙時，袁世凱又調馮國璋回北京，任命段祺瑞為第一軍軍統兼第二軍軍統。
12月29日，南方選舉孫中山為臨時大總統，段祺瑞極為震驚。
1912年1月1日，就在孫中山宣誓就職的那一天，段祺瑞糾合馮國璋、段芝貴等北洋將領，聯名通電反對共和，主張立憲，聲稱“若以少數意見采用共和政體，必誓死反抗”。
在各方麵的壓力下，孫中山妥協了。袁世凱在得到南方“清室退位後，推舉袁世凱為大總統”的承諾之後，開始向清王朝施加壓力。1月16日，袁世凱在去外交部的途中，有人向他投擲炸彈。袁世凱雖然秋毫無損，卻借機不再上朝，躲在幕後，指使部下一個個跳出來逼宮。
1月20日，段芝貴到了湖北前線。1月23日，湖廣總督兼第一軍軍統段祺瑞從前線發來電報，一方麵報告軍隊傾向共和，軍心不穩；另一方麵表示自己將盡力而為，但“成敗利鈍未敢料也”，借此給清王朝以威脅。1月25日，段祺瑞致電內閣，赤裸裸地開始了逼宮。他在電報中聲稱，前方將領及各地將領均表示讚同共和(這時的段祺瑞似乎忘了不久前表示要誓死反對共和維護立憲)，聽說載灃、載澤阻撓共和，多憤憤不平，甚至揚言“立即暴動”。此間恫嚇之心，溢於言表。
段祺瑞唱起了紅臉，袁世凱卻一副“忠君愛國”的樣子，聯同徐世昌、馮國璋、王士珍複電，希望段祺瑞勸解諸將領，不要輕舉妄動。就在當天，段祺瑞領銜、北方諸軍統兵將領42人、士兵40萬人聯名要求清廷宣布共和的通電已經公之於眾。這封電報，宛如一顆巨大的炸彈，掀起了狂波巨瀾。當內閣會議還在為共和和立憲喋喋不休時，袁世凱一言不發，出示了這封電報，人人變色，大局遂定，連素來強硬的良弼也在讚成共和的名單上簽名。段祺瑞一電之威，可想而知！
1月30日，隆裕太後召開禦前會議，自動頒布共和，授予袁世凱全權與南方商酌退位條件。2月5日，段祺瑞趁熱打鐵，率武漢戰區十將官再次逼宮，催發共和詔旨。電報稱：