正所謂樹大招風，功高震主，在袁世凱北洋勢力迅速膨脹之時，清廷已用明升暗降的方法，開始了對他權力的遏制，尤其對北洋勢力的分化與削弱，無論袁世凱還是其他北洋將領，無不感到一種咄咄逼人的態勢。
1908年11月，一個看似平常的日子，正在保定北洋陸軍各學堂督辦公署辦公的段祺瑞，突然接到袁世凱的親筆密函，要他儘快赴京。當段祺瑞趕到北京，進入位於紫禁城東邊錫拉胡同袁府後，袁世凱已經被傳入宮。
袁世凱的長子袁克定驚慌失措地告訴段祺瑞：「大事不好了，皇上和太后都駕崩了！」
原來，光緒帝駕崩後，袁世凱於當天夜裡被召到宮中商量立嗣之事，第二天慈禧也晏駕了。根據慈禧懿旨，立醇親王載灃之子溥儀為嗣君，由載灃監國攝政。而袁世凱卻一直留在宮中未歸。
這個消息令段祺瑞大吃一驚，且不說一朝天子一朝臣，僅載灃上台就對袁世凱極為不利！長期以來，以載灃、鐵良等人為首的滿族排漢派一直對袁世凱耿耿於懷，而當年戊戌變法袁世凱告密導致光緒被囚瀛台一事，載灃作為光緒的胞弟，更不會放過袁世凱。對此，段祺瑞心急如焚。
滴水之恩，當湧泉相報。袁世凱的知遇之恩，段祺瑞沒齒難忘，何況袁世凱之於北洋將領，本為一榮俱榮一損俱損的關係。返回保定後，段祺瑞決定以「兵諫」解救袁世凱。當他與手下第一謀士徐樹錚商量時，徐樹錚卻認為不妥。
「貿然進行『兵諫』，實為大逆不道之舉，名不正言不順，難有取勝把握。」徐樹錚分析說，「不如先向朝廷稱病開缺，再放出風聲，舉行冬操，以引起朝廷重視，讓他們不敢輕易對袁大人下手。若事後追查起此事，也有退路可尋。」
徐樹錚是江蘇蕭縣人，自幼聰穎過人，才華橫溢，與段祺瑞相識於袁世凱的山東巡撫任上，兩人性情相投。後來徐樹錚自日本陸軍士官學校畢業歸來，直接拜入段祺瑞門下。
段祺瑞覺得徐樹錚的主意不錯，急忙著手施行。可就在此時，一個實行「兵諫」的更好理由送上門來。駐紮北京南苑北洋第六鎮第十一協的協統李純打來電話，說幾個士兵聚賭鬧事，發生火併，問該如何處置。段祺瑞一聽，在這種時候，居然為這點小事打電話請示，立刻來了火氣，剛想訓斥幾句，突然靈光一閃，大聲說：
「秀山啊，這是發生兵變了！」
李純號秀山，他與段祺瑞同是北洋武備學堂首屆畢業生，對光緒帝與西太后相繼晏駕、袁世凱滯留宮中雖有耳聞，卻不像段祺瑞那麼敏感，他一時沒有明白過來，堅持說：
「沒那麼嚴重，只是幾個士兵賭博……」
「是兵變！」段祺瑞厲聲打斷對方的話，「你那裡發生了兵變，立刻派兵彈壓，聲勢越大越好，明白嗎？」
「哦，我明白……」李純有些開竅了。
「我馬上派兵增援！」
段祺瑞放下電話，立刻命令出兵南苑。南苑位於北京南城腳下，一時間軍號齊鳴，戰鼓震天。段祺瑞派出的增援部隊趕到後，竟然動用了大炮，隆隆的炮聲震動了紫禁城，清廷頓時亂成一片。
與此同時，段祺瑞上報陸軍部：北京南苑發生「兵變」，他正率部鎮壓。載灃原本優柔寡斷，缺乏經天緯地之才，雖意欲除掉袁世凱，卻又瞻前顧後，擔心由此引發動亂，徵求蔭昌、張之洞等人意見後更不敢輕舉妄動，在「兵變」面前，自然會做出讓步，最終於1909年1月2日，以袁世凱患「足疾」為由，一道諭旨將其開缺回河南「養疴」。
袁世凱「死裡逃生」，隨即帶著一家老小登車返鄉。離京時，不僅往日前呼後擁的風光不再，連送行者都寥寥無幾。人們唯恐避之不及，哪裡還敢車站送行招惹麻煩呢！車到保定，段祺瑞上車相見。見到段祺瑞，袁世凱感慨萬千，連說：「芝泉啊，項城沒看錯人！項城沒看錯人！」
段祺瑞見袁世凱往日威風全無，心中頗感淒涼，也動了感情：「大人於我有知遇之恩，縱是赴湯蹈火，也在所不惜。」
袁世凱被開缺後，段祺瑞的命運也隨之發生了變化。攝政王載灃下令重新改編全國武裝，建立新軍三十六鎮，各鎮高級將領均由滿族人擔任。1910年12月，段祺瑞被調任江北提督。提督是清朝從一品的官銜，表面上看段祺瑞被提升了，實際上，清廷用明升暗降的辦法，奪去了他的兵權，並把他從直隸省調開。
段祺瑞焦急萬分，上任途中繞道袁世凱「隱居」的彰德洹上村，袁世凱勸他要沉住氣，北洋將領總有鹹魚翻身之日。
果然，1911年10月，辛亥革命爆發，清政府派出陸軍大臣蔭昌率北洋軍隊前去鎮壓，同時派馮國璋為第二軍軍統增援。由於蔭昌指揮不動袁世凱的北洋軍，清政府被迫敦請袁世凱出山，袁世凱出山的條件之一，便是在調任馮國璋為第一軍軍統的同時，任命段祺瑞為第二軍軍統，前往湖北鎮壓起義軍。
赴京之前，段祺瑞再去彰德洹上村請示機宜，袁世凱對段祺瑞推心置腹：「芝泉啊，我不妨對你直說，儘管南方鬧得很兇，但要害之處不在南，而在北！」
「大人的意思是北方不能亂？」
「是的。出兵南方，更要隨時準備回師北方，不能讓人家把我們的老窩端掉。就讓華甫（馮國璋）在前面打吧，你在後邊要控制鐵路，以便進可以援於武昌，退可以左右直隸和北京。」
後來事實證明，袁世凱此舉可謂有先見之明。段祺瑞到信陽尚未坐穩，北方便出了大亂子。山西新軍中革命黨人首先在北方發動起義，推舉新軍標統閻錫山為軍政府都督，準備進攻北京。清政府急令駐紮灤州的第二十鎮統制張紹曾出兵討伐。豈料這位「士官派」代表聯合其他將領，電奏朝廷，宣布實行「兵諫」。清廷情急之下，派出第六鎮統制吳祿貞前往灤州說服。吳祿貞與張紹曾、藍天蔚同為「士官三傑」，三人關係甚篤，清廷原以為吳祿貞的說服工作會大見奇效，豈不知吳祿貞是一位以儘快推翻滿清政權為己任的激進革命者。吳祿貞一到灤州，便提出聯合閻錫山，合圍攻打北京的主張。
此時，清廷剛剛任命袁世凱為內閣總理大臣，由他出面組織責任內閣，清廷軍政大權已落入袁世凱的掌控之中，倘若在這個時候清廷被北方革命力量所消滅，則皮之不存毛將焉附？尤其嚴重的是，袁世凱便有被逐出政治舞台的危險。幸虧他早有防範，已收買張紹曾手下的協統，因此在第一時間內知道了內幕。
北方所發生的事，段祺瑞在信陽已有所耳聞。10月31日，袁世凱赴湖北孝感視察的專車抵達信陽，段祺瑞上車拜見袁世凱，方知事態遠比想像的要嚴重。兩人就如何平亂進行了一番商議。由於兵諫將領中許多是段祺瑞的舊部與學生，因此決定由段祺瑞北上以攻心戰進行瓦解。
段祺瑞旋即帶領數名親信趕到北京，以發送公開或秘密電報的形式，以同僚或師長身份，勸說兵諫將領們服從袁世凱指揮，率部南下。同時派出徐樹錚等得力幹將到自己舊部和學生中進行遊說。段祺瑞在北洋將領中素有威望，此招一出，將領們紛紛倒戈，張紹曾很快被架空。
與此同時，袁世凱授意軍諮府以令吳祿貞率部赴山西鎮壓起義為名，將吳祿貞從灤州調開。而吳祿貞率部趕到石家莊後便停滯不前，他一面謊報軍情麻痹清廷，一面與閻錫山取得聯繫，約定組成燕晉聯軍，於11月8日聯合舉事，圍攻北京。
就在吳祿貞與閻錫山密謀舉事的同時，袁世凱已採取行動，決定暗殺吳祿貞以除後患。袁世凱的親信收買了一個叫周符麟的協統，負責暗殺事宜。周符麟先到北京面見段祺瑞，然後遄赴石家莊組織暗殺行動，11月7日深夜，在約定舉事的前一天夜裡，吳祿貞在石家莊的臨時辦公處被刺殺身亡。
為了給輿論一個交代，段祺瑞按事先約定傳訊周符麟，兩人合演了一出雙簧，然後便把周符麟放走了。喧囂一時的北方事件終於風平浪靜，段祺瑞為袁世凱又立一功。在接下來對南方的用兵中，段祺瑞由於吃透了袁世凱的意圖，屢屢為袁世凱排憂解難，再建功績。
此時，擔任前敵主將的馮國璋打得十分賣力，先攻克漢口，又攻克漢陽，接著要一鼓作氣拿下武昌。這下急壞了袁世凱。袁世凱的策略是「養敵自重」，無奈他連發七道急令，並三次派員南下讓馮國璋停戰，馮國璋都不得要領。而袁世凱「借敵自重」要挾清廷的目的又不便明說。情急之下，袁世凱走馬換將，命段祺瑞為湖廣總督，兼辦剿撫事宜，同時以第二軍軍統兼任第一軍軍統，將馮國璋調回北京。
段祺瑞果然不負厚望，他深知袁世凱早已無意於清廷，更不會安心於內閣總理大臣，他追求的是大總統的寶座，於是，與袁世凱一南一北，一唱一和，配合默契，既利用革命軍脅迫清廷談條件，又利用清廷向革命軍「討價還價」。
在「南北議和」進行中，南方革命黨領袖黎元洪等人與袁世凱基本達成默契，黎元洪等人表示，「如袁反正，將擁其為總統」。
然而，就在袁世凱做著大總統美夢的時候，孫中山自海外歸來，於1912年1月1日在南京就任中華民國臨時大總統。
這一變化令袁世凱與段祺瑞萬分震驚與憤怒，因為正是袁世凱試圖借敵自重，漢陽戰役之後停止進攻，才使武昌民軍化險為夷。如今孫中山做了總統，袁世凱豈能善罷甘休，立刻電令段祺瑞炮擊武昌。
在各方面的壓力下，孫中山作出讓步，南方代表以「清帝退位和保證共和」作為袁世凱出任大總統的先決條件。袁世凱對民主共和不以為然，不過是想藉機壓迫清廷，達到上台的目的。但是，清室少壯親貴對清帝退位一事反應激烈，而袁世凱本人不願承擔背叛清廷的罵名，逼宮的重任便落到了段祺瑞肩上。
1月下旬，段祺瑞振臂一呼，率前線北洋將領46人，先後兩次聯名致電朝廷，籲請清帝退位，稱「人民進步非共和不可」，必須「立定共和政體」，否則「即率全體將士入京」，並隨即將司令部從湖北孝感遷往河北保定，作出一副進京逼宮的樣子，對清廷造成咄咄逼人的態勢。
1912年2月12日，清隆裕太后迫於壓力，終於以宣統的名義下詔清帝退位，在中國延續兩千多年的封建帝制自此壽終正寢。
3月10日，袁世凱在北京就任臨時大總統。段祺瑞也因逼宮有功，被視為「一造共和」的英雄，不久被任命為陸軍總長，執掌戎機。