他於1899年秋冬間回到上海，組織了正氣會（不久改名自立會），以“東文譯社”之名開展對外活動，聯絡長江會黨。在唐才常手訂的正氣會章程及其序言中，他一麵痛惜漢人“低首腥羶，自甘奴隸”，提醒人們別忘了“非我種類，其心必異”；一麵又強調“日月所照，莫不尊親，君臣之義，如何能廢”，決心“合海內仁人誌士，共講愛國忠君之實”。這種自相矛盾的宗旨，既是保皇、革命兩派客觀矛盾的反映，也是唐才常主觀上保皇與“反滿”兩重性的體現：保皇的一麵使他用傳統的忠君思想來喚起一些人的支持，而“反滿”的一麵又使他用另一種傳統思想即民族意識，來喚起另一些人的支持。他右手拿起忠君思想的武器擁戴“非我種類”的光緒帝，左手舉著民族主義的武器反對“非我種類”的清朝當權派——兩種矛盾的東西，就這樣在他身上得到了離奇的結合。
接著，自立會仿照哥老會方式，在上海組織“富有山堂”，發放“富有票”，在各重要地區設立機關，招待會友和四方會黨人士。
在“富有山堂”的骨幹人物17名“總堂”中，除畢永年是革命派外，其餘均為會黨中人和康、梁方麵的人，但它卻又遙戴孫中山為“極峰”以示尊敬。這是保皇、革命兩派勢力在山堂組織上的反映。
之後不久，唐才常等籌組自立軍武裝。全軍編為五路：安徽大通為前軍，由秦力山、吳祿貞統之；安慶為後軍，田邦璿統之；湖南常德為左軍，陳猶龍統之；湖北新堤為右軍，沈藎統之；漢口為中軍，林圭、傅慈祥統之。唐才常為全軍總司令。設機關於漢口英租界內。在這些統領中，傅、吳是革命派方麵的，餘皆康、梁方麵的人，這是兩派勢力在軍事組織上的反映。
自立軍編組就緒後，在八國聯軍入侵北方之際的1900年7月，自立會以反對清政府借義和團排外為名，在上海英租界張園召開“中國國會”，舉容閎、嚴複為正、副會長，唐才常任總幹事，實際主持一切。在張園國會上，唐才常提出自立軍的三條宗旨是：（一）“保全中國自立之權，創造新自立國”；（二）“決定不認滿洲政府有統治清國之權”；（三）“請光緒帝複辟”。這是“反滿”與保皇的矛盾宗旨的具體化和綱領化。參加張園國會的章太炎反對保皇，力勸唐才常“不宜首鼠兩端”，但唐才常拒而不聽，章太炎因此決絕而去。畢永年和吳祿貞也因此而先後離去。有的同誌認為唐才常在正氣會序文等裏麵所講的一些帶“反滿”色彩的言詞，是為了“掩蓋”保皇的“真實麵目”或“本意”，而並非出諸真心。我認為這一論斷是值得商榷的。誠然，唐才常有強烈的保皇本意，但他從來沒有想掩蓋這個本意；相反，他倒是唯恐別人忽略而堅持要在各個場合強調這個本意，即使因而與人決裂也在所不惜！
張園國會召開後，自立軍五路人馬加緊布置，唐才常決定於8月9日在鄂、皖、湘同時起兵。但因布置未整和康有為預定應來的海外彙款未到而延期。隻有大通前軍因未得延期之訊而按時發動，在奮戰兩晝夜後失敗，秦力山隻身赴日，餘眾四散。接著，新堤右軍在8月16日的發動也迅遭失敗。
在這千鈞一發之際，北方形勢急劇變化。8月14日，八國聯軍侵占北京，“各國方麵對於英人之壟斷長江，認為勢難坐視”。英國感到難以獨占長江流域和華南，對於標榜要建“自立國”的自立軍已不再需要，因而不能再予默認和容忍了。張之洞窺見及此，便先發製人，在取得漢口英租界當局允許和協助之下，派兵包圍英租界內自立軍所設機關，一舉捕獲了唐才常和其他自立軍領導人等共30餘人。第二天，唐才常懷著“七尺微軀酬戰友，一腔熱血灑神州”的心情，與其他自立軍骨幹共20人一道被殺。散在各地的自立軍餘眾，先後被清政府捕殺達1000多人。緊張籌備了半年多，一時似乎頗具聲勢的自立軍，就這樣煙消雲散了。為了完成故友譚嗣同的未竟之業，唐才常成了又一個血灑神州的犧牲者，並被人們與譚嗣同合稱為“瀏陽二傑”。
自立軍雖然失敗了，但產生過很大的社會影響。它證明了在當時的中國，即使通過武裝勤王來推行變革也已行不通；它還說明，革命與保皇的矛盾是不可調和的，兩派是終究不能合作的；它也告訴人們：對帝國主義是不能存有任何幻想的，盡管唐才常在曆次文告中對外國在華利益的保護“無微不有”，帝國主義也曾為了利用它而默允其活動，但最後當不需要它時就立即幫助清政府鎮壓了它。所有這些，都有助於提高人們的覺悟，使許多人轉向了革命，如劫後餘生的自立軍成員秦力山、陳猶龍、沈藎、禹之謨等，都很快轉為革命派。有人把1900年作為勤王與革命之間的一條鴻溝，是有道理的。唐才常等人用自己的頭顱充當炸彈，炸開了這條鴻溝。所以，自立軍起事和唐才常的悲劇，對20世紀初迅速發展的革命運動，是起過推動作用的。