1911年10月29日，太原起義成功。消息傳到京城，清政府即命令駐防於保定的第六鎮統制吳祿貞進軍山西，鎮壓革命。吳之先頭部隊第十二協吳鴻昌部於10月31日到達井陘，與山西民軍遙相對峙。
吳祿貞，字綬卿，湖北雲夢人，畢業於湖北武備學堂。1900年與唐才常組織自立軍，在安徽大通縣密謀起事，失敗後赴日本士官學校留學，為第三期生。回國後曾任延吉邊務大臣、副都統等職，後調任第六鎮統制。吳素懷革命大志，豈料武昌起義後，清政府任命袁世凱為內閣大臣。吳祿貞對袁世凱有看法，他與北京皇室反袁派認為「亡清必袁」。行前，吳與清官載濤、良弼等密謀反袁。
11月3日吳祿貞到達井陘前線，即布置與山西軍民聯合以實現倒袁計畫。與山西軍民達成協議後，為了迷惑清政府，吳祿貞又致電清內閣，謊稱「與革軍接戰，革軍不支，退守娘子關，革軍……前線兵，日見增加。」要求「籌撥山炮一營、步隊一標」，以增兵力。
11月4日，清政府任命吳祿貞為山西巡撫。當天下午1時，吳祿貞與閻錫山分別乘火車到達娘子關，雙方舉行會議。吳祿貞在會上首先聲明：清廷授我山西巡撫，是一種籠絡手段，我決不就任。我站在大革命立場，極願與山西合作。山西位置重要，可能山西光復，中國就光復，重要的在於起義要及時，能使清室震動……會談結果，決定組成燕晉聯軍，公推吳祿貞為燕晉聯軍大都督兼總司令，閻錫山為副都督兼副總司令，溫壽泉為聯軍參謀長；決定山西民軍先撥兩營開往石家莊，歸吳指揮，然後會師北京，推翻清室。當天，吳祿貞部在石家莊截留了清政府由京漢鐵路運往湖北前線的軍械和糧服。
吳祿貞的行動，引起了清政府的仇視和憤怒，乃促其速到山西赴任，以解除京漢鐵路中段的阻礙，溝通與武漢前線清軍的聯繫。此時，督師湖北孝感的袁世凱，因吳扼守石家莊而不能赴京就任內閣總理大臣，並對吳截留軍械糧服，恨之入骨。就以白銀三萬兩(一說二萬兩)暗中收買被吳祿貞撤職的原十二協統周苻麟，設法刺吳。周潛到石家莊與任吳祿貞衛隊長的東北同鄉馬惠田密謀。馬於11月6日深夜，乘吳辦公之際，將吳槍殺於車站辦公室，參謀張世膺、副官周維楨同時殉難。
吳祿貞被刺之後，閻錫山為了應付對敵，一面派南桂馨赴陝西向革命軍求援，一面派常樾、賈德懋等到石家莊向新軍第六鎮統制段祺瑞疏通，並派太平縣(今襄汾)舉人、軍政府參議董桂萼赴晉南，參議胡某到晉北招撫。
此時，清政府也在千方百計企圖恢複在山西的統治。11月14日，派渠本翹為山西宣慰使，進行誘降活動。11月15日，又任命張錫鑾為山西巡撫，率領曹錕第三鎮兵開往石家莊，進攻娘子關。在此情況下，閻錫山遂派喬煦率第二標到娘子關增援。幾天後，閻偕趙戴文、馬開崧等到娘子關督戰。
12月8日，第三鎮第五混成協統盧永祥率部由石家莊開至井陘。當晚受到山西民軍的襲擊。次日，清軍炮兵在蔡庄放列，民軍數十人前往搶炮，雙方互有傷亡。12月10日，清軍炮轟雪花山民軍陣地，民軍奮起抵抗，傷亡500餘人，清軍亦死500餘人。12月11日，清軍攻佔娘子關，閻錫山、姚以價等倉惶撤退。
閻錫山等於12月12日回到太原後，即按計畫撤離。趙戴文等晉北人率部出城北走；溫壽泉、楊彭齡、李鳴鳳等晉南人則率部南下。民軍相繼離開後，太原人心惶惶，有的逃出城外，有的躲入外國教堂，單北門街天主教堂內即有千餘人之多。市面秩序混亂，多數商店關門。三橋街雙福火柴公司改懸日本國旗，帽兒巷隆記紙煙庄改懸英國國旗。不法之徒，蠢蠢欲動。原來清政府官吏立即死灰復燃，補服頂戴又出現街頭，一些盤起來的辮子又拖在腦後。軍政府懸掛的「八卦太極圖」白旗也被改為黃色龍旗。原來山西的清政府官員王慶平、李監鐸、駱成驤、連印、王大貞、周渤等用原印信出布告安民，財政、警務等衙門和督練所也都恢複辦公。同時，還命令民軍投誠，並發給投誠者一條蓋有桌台衙門印信的黃布，以資識別。太原城內，一派復辟氣氛。
原清朝官員王慶平等在聯名致張錫鑾的電報中競狂妄地說：「三晉軍民，重見天日，無不額首稱慶。」
1912年1月5日，盧永祥帶步兵第一標王丞斌部兵馬三隊、山炮工輜各兩隊進佔太原。1月10日，張錫鑾在武衛軍的保護下，也由石家莊到達太原。這時，已回到南方的山西同盟會員劉盥訓向清政府的議和代表唐紹儀提出抗議，指出張錫鑾入晉是違約失信的行動，要求唐致電袁世凱令張離晉。張錫鑾離晉後，又由李盛鐸攝行巡撫事。
1912年2月12日，南北議和結束，共和告成。清帝宣布退位，袁世凱繼任中華民國臨時大總統。閻錫山等人在河曲聽到全國已宣布共和的消息，又接到李盛鐸「深盼南來，晤商一切」的電報，遂催軍兼程南下。1912年2月18日，閻率部到達忻州。當天，袁世凱即電李盛鐸、盧永祥和武衛軍統領王汝賢：「閻錫山軍隊……萬勿令其回駐太原，……如果閻擅自進行，望即督飭各營嚴加抵禦。」閻錫山只得留駐忻州。
閻錫山知道，要取得山西的統治權，必須取得袁世凱的信任。於是他一面派袁的門生定襄人董崇仁赴京向袁疏通，一面又向孫中山求援。孫即電袁世凱，提出撤軍，讓山西都督返回太原。其電文是：
「北京袁大總統鑒：山西屢電，請轉知撤退太原兵，召還晉省都督。查前清兵在晉，確有野蠻舉動，大拂輿情。現在中國一家，秦兵既肯退出潼關，何獨於晉省。若晉督還晉，李盛鐸仍為民政長，則一是安謐矣！謹布，候復。孫文。」
在孫中山先生力爭下，加上閻錫山向袁世凱輸誠效忠，袁於1912年3月15日任命閻錫山為山西都督。1912年4月4日，閻錫山回到太原。
到此，辛亥革命在山西告一段落。山西同盟會員、資產階級知識分子和廣大工農兵群眾奔走呼號，浴血奮戰的果實就這樣穩穩地落在閻錫山手裡。
山西民軍在辛亥革命中的功績，不僅在於推翻了清王朝在山西的封建統治，而且對於結束我國兩千年的封建帝制和建立中華民國，也起了重大作用。1912年9月19日孫中山到太原視察時，曾對此作了肯定的評價。他說：「去歲武昌起義，不半載竟告成功，此實山西之力……何也？廣東為革命之最初省份，然而屢次失敗。清政府防衛甚嚴，不能稍有施展，其他可想而知。使非山西起義，斷絕南北交通，天下事未可知也。」但是，在山西，閻錫山為了達到他回太原獨攬山西大權的目的，急於向袁世凱輸誠效忠，獻媚取寵，一方面表現了辛亥革命在山西的不徹底性；另一方面也反映出中國資產階級軟弱的一面，它不可能徹底完成反帝反封建的歷史使命。
1912年3月15日，閻錫山在辛亥革命的硝煙中，當上了山西都督，一顆鮮美的桃子到手了。這是他做夢也沒有想到的。為了保住這來之不易的果實，閻錫山利用各種借口和機會不斷排擠和迫害大批參加山西辛亥革命的有功之士，消除山西境內的異己力量，為他割據山西，實行獨裁統治鋪路。
袁世凱在竊據辛亥革命勝利果實之後，採取各種手段壓製革命力量。1913年(民國2年)3月，他親自導演了刺殺宋教仁血案。「宋案」發生後，全國對袁世凱的聲討不斷高漲。但是，一些操縱地方省政權的軍閥站在袁世凱一邊，支持袁的做法。閻錫山也積極迎合袁世凱，並在各省軍閥致參、眾兩院的電文上簽字，以表示支持袁世凱的獨裁統治。
1913年11月，袁世凱在鎮壓二次革命後，當上了正式大總統。他下令解散國民黨，撤銷國民黨人的議員資格，以此達到取消國會建立獨裁統治的目的。閻錫山在山西趕忙採取相應的措施。當山西接到袁的命令後，閻錫山馬上指使警察廳查封了國民黨山西支部，並派專人前往省議會及各郵電局，調查國民黨山西議員是否與外界保持聯繫，對國民黨山西議員52人逐一進行了審查，追繳了議員證書。
1914年1月，閻錫山向袁世凱致函，詳報山西清理國民黨的情況。這樣做，閻錫山既討好了袁世凱，又進一步清除了山西的異己力量，可謂一箭雙鵰。閻錫山不僅在政治、軍事方面追隨袁世凱，而且對袁世凱在思想領域大搞尊孔活動，也積极參与，緊步後塵。1913年2月，閻錫山等人在太原文廟發起創辦了「宗聖會社」，建立了山西最大的尊孔社團。宗聖會社的名譽會長是解榮輅，副會長為趙戴文、劉錦訓等。後來，閻錫山又創辦了「洗心社」，親自擔任社長，定期講經祀聖，大力傳播孔孟之道，充當了袁世凱尊孔復古的吹鼓手。1914年6月，袁世凱改各省都督為將軍，並授閻錫山為「同武將軍」，管理山西事務。閻錫山倍感榮耀，特意在原籍河邊樹立了一個門樓，鐫刻「同武將軍府」五個大字。
1915年(民國4