張勛宣布復辟的次日(7月2日),段祺瑞與徐世昌略事商討后，便偕同靳云鵬、張志潭、梁啟超、湯化龍等人從天津乘汽車趕往馬廠，組織武力，討伐張勛。
段祺瑞要在天津附近組織討張的軍隊，也有一番周折。當時駐京畿的軍隊除張勛辮軍外，十一師(師長張永成)駐北苑，十二師(師長陳光遠)駐南苑，十三師(師長李進才)駐西苑。此外還有近畿第一旅(旅長張錫元)、近畿第二旅(旅長吳長植)和江朝宗統(tǒng)領的京城衛(wèi)戍軍駐扎北京城內(nèi)。這些軍隊的將領在復辟發(fā)生后態(tài)度曖昧。江朝宗、陳光遠、張永成、李進才、張錫元、吳長植等人都在宣告復辟的通電上列名，段祺瑞不敢打這些人的算盤。除以上京畿駐軍外，直隸北部還有：一師(師長蔡成勛)駐宣化，八師(師長李長泰)駐馬廠，三師(師長曹錕)、二十師(師長范國璋)駐保定，十六混成旅(旅長楊桂堂)駐廊坊。上述各軍隊的將領除蔡成勛外，都未列名復辟通電，多數(shù)尚在觀望，有的已表示反對復辟。但是這些軍隊大都非段祺瑞的嫡系，使段大費躊躇。段與左右再三商討，最后確定運動駐馬廠的八師發(fā)起討伐張勛的軍事。該師團長閻繁瑞、閻繁敏原系段的馬弁，師長李長泰與段私交甚厚。與此同時，段還派人運動駐廊坊的十六混成旅。該旅旅長原為馮玉祥，4月初被段的心腹排擠，改任直隸巡防營統(tǒng)領。馮走后，十六混成旅旅長由原參謀長楊桂堂繼任。楊平庸無能，馮的潛勢力仍在。復辟發(fā)生后，張紹曾、陸建章都有所舉動，段祺瑞深恐馮玉祥為他人利用，趕快重新任命馮指揮第十六混成旅。
3日，駐保定第三師師長曹錕，在密電征得馮國璋的意見之后，通電宣布反對復辟，參加討逆，從而加強了段祺瑞討逆軍事的陣容。當日，段在馬廠召集軍事會議，組成“討逆軍總司令部”,自任總司令。研究系政客梁啟超、湯化龍，交通系政客葉恭綽和段的親信徐樹錚、靳云鵬、傅良佐、曲同豐、陳文運、魏宗瀚、張志潭、曾毓雋、丁士源、張弧、任鳳苞以及徐世昌派的陸宗輿、張國淦、吳鼎昌等人都參加討逆軍總司令部，分任各職^[1]。
馬廠會議決定：討伐張勛的軍事行動，分東西兩路同時進行。西路由曹錕任司令，率三師、二十師沿京漢路北上；東路由段芝貴任司令，督八師和十六混成旅集合于廊坊，然后沿京津鐵路西進。4日，段祺瑞、馮國璋聯(lián)名通電，列舉張勛等人破壞民國的八大罪狀，宣布討伐。同日，八師自馬廠誓師出發(fā)，經(jīng)天津赴落垡、廊坊。
討伐張勛的軍事自7月5日開始。5日凌晨4時，討逆軍東路軍八師一部在廊坊、萬莊之間與辮軍首次接戰(zhàn)。辮軍無備，稍事抵抗，即退往豐臺，討逆軍追至黃村(今大興縣城)以北。同日，西路軍三師也乘火車北上，占領涿州、良鄉(xiāng)，直抵蘆溝橋^[2]。6日，討逆軍東路馮玉祥部也參加戰(zhàn)斗，與八師王汝勤部合兵追擊辮軍至豐臺以東。同日，由南苑航空學校組成的討逆航空隊轟炸了豐臺辮軍的陣地^[3]。7日，討逆軍攻豐臺，東路先發(fā)起。辮軍正在抵抗之際，西路會同新加入討逆陣營的十二師陳光遠部自西發(fā)起攻擊，辮軍不支，向西北逃竄。原依附張勛的近畿第二旅吳長植部在戰(zhàn)場上倒戈。正午，討逆軍完全占領豐臺。據(jù)曹錕報告，此役辮軍僅死“數(shù)十名”,“我軍人馬一無損傷”,可見戰(zhàn)斗并不激烈。同日，西路三師吳佩孚旅占領協(xié)寨、跑馬廠等地^[4]。自此，北京城東南要隘盡為討逆軍控制，辮軍只得緊閉城門，龜縮在北京城內(nèi)。
與進攻豐臺同時，討逆軍航空隊轟炸了北京城內(nèi)辮軍營地和清宮。投下的三枚炸彈，兩枚落在宮內(nèi)，炸傷轎夫一名，使辮軍人人自危，惶惶不安^[5]。清室不得已，才出面托日本公使林權助函勸段祺瑞停止轟炸^[6]。
葉恭綽出任討逆軍司令部交通處長，對討逆戰(zhàn)事順利展開作用頗大。經(jīng)他運動，京奉、津浦、京漢三路局將大批客貨車皮集中于天津和保定，載討逆軍北上；同時又將徐州附近各車段的空車皮完全調(diào)走，使徐兗地區(qū)的辮軍不能北上增援張勛^[7]。
研究系的重要成員幾乎全體出動，為段祺瑞出謀劃策，搖旗吶喊。梁啟超、湯化龍直接參加“討逆軍總司令部”,這一時期段向外發(fā)布的重要文電，都是梁啟超的手筆。熊希齡則躲在幕后為段祺瑞向四方活動。7月1日，復辟消息一傳出，熊即致電上海趙鳳昌，要他疏通國民黨人與段祺瑞“速釋嫌怨”,聯(lián)合起來反對張勛?！叭f不可于北軍范圍內(nèi)發(fā)起革命軍，恐北方將領畏有蕭墻之禍，反致團結一氣，投入復辟漩渦”^[8]。4日，熊希齡再電趙鳳昌，請“設法運動海軍……開赴大沽”,威脅辮軍，并促使當時態(tài)度尚不明朗的陳光遠、蔡成勛兩部迅速加入“討逆軍”^[9]。
隨著“討逆軍”在軍事上的進展，段祺瑞于5日將司令部自馬廠移至天津，并通電宣布就任國務總理，暫以直隸省公署為辦事處。
段祺瑞早于2日已收到黎元洪重任他為國務總理的命令，但當時他的左右意見不一：丁士源為首的一派，主張拋開黎元洪，自立旗幟；另一派以張國淦為代表，主張接受黎元洪的命令，就任總理，名正言順，便于號召。段經(jīng)過考慮，采納了后一種意見。
張勛在北京發(fā)動復辟后三日，仍得不到外省響應，大為恐慌。4日，他致電參加徐州會議的各省軍閥說，第四次徐州會議，首由張懷芝、倪嗣沖等人“揭出復辟宗旨，堅明要約”,自己“帶隊北上，臨行通電，諄諄以達到會議詞旨為言”,而現(xiàn)在復辟已實行，“諸公意懷觀望，復電多以事前未商為言，聞之不勝悚愧”^[10],要求他們實踐前言，贊助復辟。6日，他又有電致北洋各督軍說：復辟之舉，“凡我同袍各省，多與其謀。東海(徐世昌)、河間(馮國璋)尤深贊許，信使往返，俱有可征”^[11]。但是，張勛的哀求與威脅，絲毫不能改變自己的困境。沒有一個北洋“同袍”肯于此時為張解圍，而原來附張的孟慶遠、王丕煥等人見勢不好，也都倒戈。
隨著辮軍的接連失利，龜縮在北京城內(nèi)的復辟集團也動搖瓦解。當日鼓吹復辟最甚的張鎮(zhèn)芳等人爭相外逃。9日，張鎮(zhèn)芳和雷震春在豐臺車站被“討逆軍”查獲。同日馮德麟亦在天津車站被拘獲。
張勛見大勢已去，只得一面向偽清廷提出辭職，一面央請北京公使團出面“調(diào)?！?。8日，溥儀發(fā)布所謂“諭旨”,準張勛辭去“內(nèi)閣議政大臣暨直隸總督兼北洋大臣”職務，內(nèi)閣政務暫由王士珍“妥慎辦理”,俟徐世昌來京，“再會同籌商善后辦法”^[12]。經(jīng)徐世昌斡旋，段祺瑞派出討逆軍的交涉處長劉崇杰入京，與各國使團接洽。劉崇杰代表段向張勛提出了實行停戰(zhàn)的三個最低條件：一、取消復辟；二、保全清室優(yōu)待條件；三、在京定武軍立即解除武裝^[13]。但張勛還企圖帶兵退歸徐州老巢，不肯解散辮軍，談判破裂。11日晚，討逆軍通知外交使團，和平解決已無可能，但軍事行動將竭力設法限制在不危及在京外國人的范圍^[14]。
繼陳光遠之后，十一師張永成部也參加討逆軍事，與十二師組成討逆軍中路，由陳光遠任司令。東路、西路和中路討逆軍計達十八旅五萬七千余人^[15]。12日拂曉，討逆軍分三路向北京城內(nèi)的辮軍發(fā)起總攻。東路軍八師和十六混成旅自城南經(jīng)永定門直取天壇，西路軍三師自城西占領彰儀門；中路軍十一師、十二師占領了朝陽門。當時，辮軍分兩處設防：城外統(tǒng)領李紹臣率步兵六營守天壇；城內(nèi)統(tǒng)領蘇錫麟率一營衛(wèi)隊、一營炮兵和兩營步兵駐守辮軍大本營南河沿地區(qū)(當時辮軍在南河沿張勛宅周圍設防。南起前門，沿東華門向北一直到景山、北海、西四牌樓一線)。討逆軍發(fā)起進攻后，天壇辮軍稍作抵抗，經(jīng)段芝貴許以繳械投降不加追究，并發(fā)給三個月軍餉后，即放下武器。南河沿地區(qū)直至中午才結束戰(zhàn)斗。初時辮軍恃天安門城門墻堅壁厚，進行抵抗，討逆軍無法前進。直至11時，討逆軍炮轟張宅，張勛始在外國人保護下逃往荷蘭使館，蘇錫麟繳械投降^[16]。這場討逆戰(zhàn)爭也就到此結束。張勛的復辟丑劇，只經(jīng)歷短暫的時日，即以徹底失敗而告終^[17]。
段祺瑞能如此迅速地平息辮軍的抵抗，與日本帝國主義的支持是分不開的。如前所述，寺內(nèi)正毅的心腹西原龜三，于六七兩月間一直潛伏于天津，為段出謀劃策。在戰(zhàn)爭緊急關頭，日本在華的金融機關及時向段提供了大筆軍費。7月12日，直隸財政廳長汪士元以補助直隸金融費用為名，在天津向日本三菱洋行借款一百萬日金。這筆錢實際上完全充作討逆軍的軍費^[18]。同日，討逆軍東路司令段芝貴通過日本公使林權助，向日本正金銀行借款八萬銀元，用來收買駐守天壇的辮軍^[19]。段祺瑞重掌北京政權以后，急忙向西原表示：政局幾經(jīng)變化，再度出任總理，“中日兩國如欲加緊協(xié)作……舍此當無更好的機會”^[20]。此后，皖系軍閥便有恃無恐地加深與日本帝國主義的勾結。
7月6日，馮國璋在南京宣布就任代理大總統(tǒng)，同日下令將李經(jīng)羲免職，正式任命段祺瑞為國務總理。段祺瑞私下早已開始組閣的活動。張勛復辟不僅幫助段解決了總統(tǒng)黎元洪和國民黨占優(yōu)勢的國會，而且為組織完全排除國民黨人的內(nèi)閣創(chuàng)造了條件。由于研究系為皖系反對國民黨和黎元洪效了大力，段便起用不少研究系政客，組成段派官僚和研究系的混合班子。而研究系與馮國璋也一向有所拉攏，所以馮對段的內(nèi)閣班底表示贊同^[21]。14日，段由津入京。次日，馮國璋任命汪大燮、劉冠雄為外交、海軍總長。18日，馮又任命五名總長：內(nèi)務湯化龍，財政梁啟超，司法林長民，農(nóng)商張國淦，交通曹汝霖^[22]。
馮國璋雖通電接受代理總統(tǒng)，但對于是否北上正式繼任總統(tǒng)卻猶豫了很久。當時，馮派、段派內(nèi)部對此問題都有歧議。在段的左右，徐樹錚、丁士源一派恐馮手握兵權，再加總統(tǒng)名義，比黎元洪更難對付，力主段自行攝理總統(tǒng)。張志潭、張國淦一派則主張黎元洪解職，由馮國璋北上繼任，比較合乎情理；而且把馮調(diào)離南京，比較更容易對付。段派內(nèi)部尚在醞釀之際，李純、曹錕等紛紛通電擁護馮國璋北上就職。段祺瑞恐因此問題在北洋派內(nèi)部鬧起風波，便采納張志潭等的意見，派靳云鵬南下勸馮北上^[23]。馮國璋左右對馮是否應北上也意見紛紜。馮的女婿陳之驥等認為馮不能離開經(jīng)營有年的南京和自己的軍隊，去北京做空頭大總統(tǒng)；而馮的參謀長師景云等則認為，中央無主，元首虛懸，是馮擴大權勢的大好機會。馮本人尚在猶豫，靳云鵬已銜命來到南京，向馮國璋表示：段祺瑞此次組閣，一定服從馮國璋，并以“二人同心，其利斷金”等語，力促馮、段合作。在師景云、靳云鵬等人慫恿下，馮國璋終于答應北上就總統(tǒng)職，但提出必須以調(diào)江西督軍李純接替他走后所遺的江蘇督軍職務為條件，此外，提升十二師師長陳光遠為江西督軍，接替李純。段祺瑞原打算以自己的心腹段芝貴接替馮國璋出任江蘇督軍，但為了對付西南，穩(wěn)定政局，只好答應馮的條件。同時，段也提出交換條件：任命傅良佐為湘督，段芝貴為京畿警備總司令，吳光新為長江上游總司令兼四川查辦使。馮國璋見段已同意李純和陳光遠的任職，也接受了段的交換條件^[24]。馮、段幕后交易做成后，7月29日，馮國璋通電宣布：黎元洪“堅持引退，長此濡滯，則政令多歧，人心不定，進退維谷，負疚彌多。茲定于三十一日早自寧出發(fā)至京，親造黃陂寓邸，固請復位，使國璋卸去代理職權，不勝大幸”^[25]。
馮國璋所謂進京敦請黎元洪復位，當然是騙人的鬼話。8月1日，馮率警衛(wèi)部隊抵北京，當天上午到東廠胡同拜訪事先特意從避居的法國醫(yī)院中趕回來迎候的黎元洪。二人見面后，馮假意勸黎復位。黎當然明白馮的用意，堅決拒絕。馮敷衍了幾句即欣然離去。4日，馮通電宣布代理總統(tǒng)。
北京政府表面上在馮、段合作的新體制下重新組成了。但是，這一體制仍是脆弱的。馮、段之間存在著不可調(diào)和的利害沖突，實際上處于對立的地位。馮國璋上臺前，二人在用人與地盤上的討價還價已為新的府院之爭埋下了伏線。
張勛復辟平定之后，對德國宣戰(zhàn)一事再度提上了議事日程。這一次由于再不存在國會干擾的問題，因此宣戰(zhàn)命令順利發(fā)表，并且將宣戰(zhàn)的范圍擴大到德國的主要盟國奧地利。8月14日，北京政府發(fā)布《大總統(tǒng)布告》,正式宣布對德、奧宣戰(zhàn)。布告聲稱：“我中華民國政府前以德國施行潛水艇計劃，違背國際公法，危害中立國人民生命財產(chǎn)，曾于本年二月九日向德政府提出抗議，并聲明萬一抗議無效，不得已將與德國斷絕外交關系等語。不意抗議之后，其潛水艇計劃曾不少變，中立國之船只，交戰(zhàn)國之商船，橫被轟毀，日增其數(shù)?！煊谌率娜障虻抡鏀嘟^外交關系，并將經(jīng)過情形宣示中外?！俗詳嘟灰院?，歷時五月，潛艇之攻擊如故。非特德國而已，即與德國取同一政策之奧國，亦始終未改其度。既背公法，復傷害吾人民，我政府責善之深心，至是實已絕望。爰自中華民國六年八月十四日上午十時起，對德國、奧國宣告立于戰(zhàn)爭地位。所有以前我國與德、奧兩國訂立之條約及其他國際條款、國際協(xié)議屬于中德、中奧之關系者，悉依據(jù)國際公法及慣例，一律廢止?！?sup>[26]該布告由段祺瑞及各部總長汪大燮、湯化龍、梁啟超、劉冠雄、林長民、范源濂、張國淦、曹汝霖聯(lián)名副署發(fā)表。
是日，外交部照會各協(xié)約國、中立國駐華公使以及德國駐京代表(中德斷交后，德國委派一名代表照看在華利益)、奧地利駐華公使，通告中國對德、奧宣戰(zhàn)。美、英、法、日、意、俄等國公使當即復函外交部，對中國參戰(zhàn)表示歡迎。然而奧地利公使則在復函中聲明：“此項宣戰(zhàn)，本公使以為違背憲法，當視為無效。蓋按黎前大總統(tǒng)之高明意見，此項宣戰(zhàn)之舉，應由國會兩院同意贊成，方可施行?！?sup>[27]外交部認為，中奧已為敵國，不能接受這一公文，當即將公文退還奧地利公使。其實，由于段祺瑞根本不愿恢復舊國會，因此宣戰(zhàn)案也無法提交國會。該宣戰(zhàn)案是在一年之后，僅僅于戰(zhàn)爭結束前數(shù)日，才為安福國會通過.第一次世界大戰(zhàn)后來以協(xié)約國勝利、德國戰(zhàn)敗而告終，中國自然也忝居于戰(zhàn)勝國之列，段祺瑞因?qū)Φ滦麘?zhàn)有功而撈取了一筆政治資本。
宣布對德宣戰(zhàn)后，段祺瑞為了進一步控制軍隊，并籌建自己的嫡系武裝，以便同南方作戰(zhàn)，消滅異己，便以參戰(zhàn)為名，于1918年3月1日成立了參戰(zhàn)督辦處，由他的心腹干將靳云鵬任處長(后又由段親自任處長，故當時人稱“段督辦”)。參戰(zhàn)督辦處和隨后用日本借款建立的參戰(zhàn)軍(后改為國防軍、邊防軍),成為皖系軍閥統(tǒng)治的一大支柱。