段祺瑞遇上袁世凯,如鱼得水,尽力为之效力。袁世凯也对他倍加重用,先后任命他为常备军第三镇翼长、第四镇统制、第三镇统制、北洋武备学堂监督、保定军官学校总办、第六镇统制等。此外,袁世凯还把义女张佩蘅嫁给段祺瑞作续配夫人,这样,袁、段的关系又更深入了一层。
1911年10月,武昌起义爆发,清政府被迫起用被开缺回籍的袁世凯。段祺瑞被任命为湖广总督,统领湖北前线各军,协助袁世凯向革命党人不断施加压力,并胁迫清帝退位,使袁世凯当上了中华民国临时大总统,段祺瑞也被任命为陆军总长。1913年7月,段祺瑞还曾担任代理国务总理。
袁世凯当上民国总统以后,精力分散,无暇专管军事。&ldo;北洋三杰&rdo;中的王士珍退隐正定,安于山林生活;冯国璋在镇压&ldo;二次革命&rdo;后外调南京,任江苏都督,在中央长期任陆军总长兼总统府军事处长的则是段祺瑞。随着职务的提高和权力的增长,段祺瑞已不甘对袁世凯俯首听命,更不愿当一个有名无实的陆军总长,因此,对一些大事,他往往擅自决定,并在军中培养自己的势力,他的亲信学生和部属,如除树铮、靳云鹏、傅良佐、吴光新、曲同丰等,都担任了要职,在陆军中隐然自成派系。其中徐树铮(江苏萧县人,1880年生),是他的得意学生,长期在他手下任职,1914年迁陆军部次长,成为他的重要助手和智囊,被称为段祺瑞的&ldo;灵魂&rdo;。
对段祺瑞执掌军权,实力膨胀,袁世凯深有疑虑,但当时他正准备恢复帝制,不得不依仗段祺瑞。袁世凯长子袁克定热衷于实行帝制,希望能当上皇太子及皇位的继承人,他托阮忠枢去游说段祺瑞,想让段祺瑞率北洋将领来一次联名通电,拥袁称帝,不料被段祺瑞一口回绝。袁世凯得知此事,当然对段祺瑞更加忌恨,决定逐步夺回他的兵权。1914年5月,袁世凯听从袁克定的献计,成立了陆海军大元帅统率办事处,硬把正隐居正定的王士珍请出担任办事处坐办。陆军总长、海军总长、参谋总长及大元帅所派高级军官,均为该处办事员,须每日到府办公。如此一来,陆军部名存实亡,总长段祺瑞退为办事员,袁世凯把全国兵权又总揽手中。1914年10月,袁世凯又建立陆军混成模范团,作为自己的亲军,以进一步加强军事集权,逐步把段祺瑞的势力排挤出去。模范团团长开始由袁世凯自兼,为了提高袁克定在军中的威望(袁克定因骑马坠地而成了跛子),到第二期便把团长职务让给了袁克定。1915年,袁世凯加快复辟帝制,更极力排斥段祺瑞,经常说他气色不好,想是有病,应当休息。段祺瑞无奈,只好以&ldo;养病&rdo;为名避居西山,不久又提出辞呈。袁世凯假意挽留,到了5月,下令派王士珍署理陆军总长;6月,借故免去徐树铮陆军次长的职务;8月29日,袁世凯正式批准解除段祺瑞陆军总长的职务,由王士珍继任。
段祺瑞被解职后,袁世凯复辟帝制,终于当上洪宪皇帝,但是遭到全国人民的愤怒声讨。云南护国军兴,各省纷纷独立,袁世凯很快陷入众叛亲离,岌岌可危的困境。袁世凯打算请出段祺瑞,替他应付局面。他先任命徐树铮为将军府事务厅厅长,借以讨好段祺瑞,然后再请段出山。但是,段祺瑞却以&ldo;宿疾未痊&rdo;,拒不受命的做法。袁世凯不得已,最后放弃帝位,再亲笔写信请出段祺瑞,委以参谋总长,后又委以国务卿,希望他帮助自己维持总统的职位。但是袁世凯紧握军权及用人权不放,段祺瑞不过是个有名无实的政治傀儡,他当然不肯为袁世凯效死力。
1916年5月下旬及6月初,袁世凯因忧愤病生。6月5日,袁世凯自知死期将至,传命徐世昌、段祺瑞、王士珍及表弟张镇芳、长子袁克定等到病榻旁交待后事。徐世昌问及总统继任人,袁世凯只说出&ldo;约法&rdo;二字。袁克定急忙追问:&ldo;金匮石屋?&rdo;袁世凯此时只能把头微微一动,似表示同意。原来南京临时政府颁布的约法,规定总统不能行使职权时,由副总统继任。这个约法已被袁世凯下命废止,另搞一个新约法,关于继任总统的人选,规定由现任总统提名三人,写于嘉禾金简,藏于金匮石屋,待总统死后取出,从中选定一人为总统。袁克定所问的&ldo;金匮石屋&rdo;,显然指袁记约法所规定的做法。
6月6日,袁世凯死后,大家打开金匮石屋,见嘉禾金简上写着黎元洪、段祺瑞、徐世昌三人的名字。据后人透露,袁世凯是在几天前将袁克定的名字换上段祺瑞,因为他意识到不会有人推举和辅佐自己的儿子当总统的,害得袁克定白做了一场黄粱美梦。
名单找了出来,究竟应选谁继任总统?老于世故的徐世昌当然不便也不会推举自己,并认为在这个时候段祺瑞也不是合适人选,最好让北洋派及护国军都能接受的副总统黎元洪继任,利用他来收拾残局。徐世昌的主张一提出,段祺瑞也不便再说什么,表示同意。段祺瑞并不是不想当总统,他是意识到自己的威望和实力还不足,如果由他继任总统,必然会招惹冯国璋的忌恨和争斗,以及西南护国军的反对,不如把手无寸铁的黎元洪扶在傀儡总统的位置,自己以内阁总理的身份独揽大权,利用责任内阁之名,行军事独裁之实,这是他同意推举黎元洪为总统的主要原因。