1917年6月7日，在黎元洪的期盼下，坐镇徐州的长江巡阅使张勋率领着辫子军步、马、炮兵共计十个营大约5000人从徐州出发，一路抵达天津。黎元洪没有意识到，自己是在引狼入室，张勋此来另有企图。
张勋
自从府院之争爆发以后，黎元洪借助“公民团事件”暂时占据了上风，段祺瑞被迫下野出走天津。然而形势却并不像黎元洪想象得那么好，他虽然任命了李经羲作为国务总理，但因为北洋军人的反对，李经羲根本就不敢上任。在李经羲的建议下，黎元洪将希望全部寄托在张勋身上，希望他能够北上进行调停。督军团离开北京以后，外面风传安徽督军倪嗣冲即将率军北上，为段祺瑞出头，这使得黎元洪不得不再三电请张勋，让他速来北京。
黎元洪没想到的是，张勋在出发之前，就已经在徐州与各省督军代表一次召开过会议。在各省督军的默许之下，他北上的目的不再是为了调停府院之间的矛盾，而是准备搞一出复辟大戏。当张勋率领着大军赶到天津时，黎元洪才意识到大事不妙，但已经太晚了。张勋很快就发表通电，要求黎元洪在三日内必须解散国会。
6月9日，定武军的先头部队陆续开进北京。6月13日，黎元洪被迫签署解散国会令，国会宣告解散。6月14日，张勋从天津赶到北京。第二天，张勋就迫不及待秘密前往紫禁城，拜见宣统皇帝溥仪。7月1日，溥仪在张勋的拥立下，正式宣布即位，再度出任皇帝，并将7月1日改为宣统元年5月13日。到了这时，黎元洪才明白，自己是引狼入室，已经铸下了大错，然而后悔已经迟了
张勋这边复辟才刚刚开始，远在天津的段祺瑞就已经得到了消息，倒不是因为段祺瑞消息灵通，而是因为参与复辟活动的军务参谋处总参谋雷震春透露了消息。雷震春与段祺瑞手下的大将段芝贵当初都曾替袁世凯复辟活动过，这一次张勋搞复辟，雷震春又想到了段芝贵这位老搭档，希望把他也拉入到复辟的阵营里。雷震春没想到的是，段芝贵投靠段祺瑞后，早就一心以段祺瑞为主了，他虽然跟着张勋去了北京，但发现苗头不对早就已经回到了天津。眼看雷震春又派人来了，段芝贵立马让副官李化甫打电话段祺瑞家中，向段祺瑞报告情况。
接到电话的是段祺瑞部下贾润泉，他深知李化甫不可能无缘无故打电话过来，赶紧问道：“出了什么事情？”李化甫回答：“刚才雷震春派人来说，有圣旨要将军（指段芝贵）去北京辅佐皇上，连红顶子、大花领、靴子、袍套等穿戴的衣物都送来了。将军不肯去，嫁给东西都退交给来人带回北京了。听来人说，宣统又当皇上了，现在北京城内各衙门商号住户都挂起龙旗，天还没大亮，市面和车站方面就热闹起来了。”
雷震春早年曾在吴长庆手下任职，早就与袁世凯认识，后来又参加了小站练兵，与袁世凯更是日渐亲密。袁世凯当政时，雷震春曾担任河南护军使、京畿军政执法处处长等职。雷震春与段祺瑞和段芝贵一样，都是安徽人。段祺瑞被罢后，在天津成立独立各省军务参谋处，委任雷震春任总参谋。
雷震春对民国的官职却不怎么在意，他是一个热心帝制的人。早在袁世凯称帝时，他就是大典筹备处的要员，积极为袁世凯活动。袁世凯称帝失败后，他成了被通缉的帝制罪犯，还是段祺瑞看在北洋老同事的份上，把他保了下来。可是，张勋到达天津后，他们之间又一拍即合。6月14日，张勋进京时，雷震春也同车前往，并参与了此次复辟的机密，被授予陆军部大臣的职务。
黎元洪
张勋进京前也曾专门到段府邀请段祺瑞去北京，一起共筹大计。张勋当时是拉着李经羲一起去的。李经羲的伯父是淮军鼻祖李鸿章，而北洋军阀多出于淮军，包括袁世凯、段祺瑞等人，因此段祺瑞对李经羲也礼遇有加。到段府后，张勋劝说段祺瑞一块进京，有大事相商，段祺瑞却不肯，只笑着说道：“政局就如同棋局一般，不急着落子的才是高手。”张勋一再邀请，段祺瑞始终不为所动。张勋坚持要请段祺瑞去北京，很大程度是因为他需要防备着段祺瑞，因为段祺瑞是北洋系的首领，一旦有变故，影响极大，事实也确实如他担忧的一样。
段祺瑞虽然拒绝了张勋，但段芝贵却接受了邀请，准备随张勋一起去北京。临行前，段祺瑞特意向段芝贵交代，千万不可参与复辟之事，并且表示如果张勋要搞复辟，他一定会组织军队要打他。正因为如此，段芝贵进京后不久，发现张勋真的要复辟了，便很快又回到了天津，并把情况向段祺瑞进行了报告。
贾润泉把李化甫的电话向段祺瑞报告后，段祺瑞并未感到吃惊，一切似乎都在意料之中。吃过早饭后，段祺瑞便乘车赶往段芝贵家中，准备商量如何对付张勋。段祺瑞到达后不久，皖系大将傅良佐和段芝贵弟弟段永彬等人也先后赶来了。 几个人在屋里商量了一阵，都认为必须要打张勋，其中以段祺瑞最为坚决，他认为张勋没有听自己的意思，坚持要玩复辟，这是在逼他动手。
兴兵讨伐的主张当时得到了在座者的一致支持，然而问题是，段祺瑞当时手中没有军队，皖系比较靠得住的部队都不在京津一带，就连段祺瑞内弟吴光新的部队也开到湖南去了，远水难解近渴，而直隶附近的军队能否听从他的指挥，他毫无把握。倒是段芝贵和傅良佐比较乐观，他们都认为，凭着段祺瑞的威望，只要振臂一呼，不愁没人响应。
段祺瑞认可这一说法，他让人查了一下附近的部队，发现离天津不远的马厂就驻了一支部队，那是北洋陆军第八师，是属于直系的部队。师长名叫李长泰，是直隶武清人，虽然他是直系军人，与段祺瑞关系比较疏远，但他是北洋武备学堂毕业生，又在北洋第六镇担任过协统，算起来也是段祺瑞昔日的学生和部下。除了李长泰之外，第八师中不少军官也都出自北洋武备学堂，与段祺瑞有着不少关系。一番思考之后，段祺瑞觉得这支部队可以争取过来。于是，他派傅良佐立即去马厂联络。
傅良佐走后，会议接着继续进行。直到中午12点左右，段祺瑞才回家吃饭。到了这时候，复辟已经影响到了天津，直隶省长朱家宝率先响应复辟，命令天津悬挂龙旗。晚上18点左右，傅良佐终于从马厂赶回来了。他向段祺瑞报告说，李师长表示坚决跟随总理。
段祺瑞对这个结果非常满意，他命令段芝贵立刻去天津北站安排专车。当天夜里，23点左右，段祺瑞便在段芝贵、傅良佐等人的陪同下，带领少数副官、随从、便衣卫士以及中西餐厨师，总共约二三十人，乘着夜色秘密地登上专车，离开天津，前往马厂。
段芝贵
马厂是位于天津以南的一个小镇，段祺瑞的专车抵达那里时，已经是7月2日凌晨1点多了，第八师师长李长泰早就带着率该师中级以上军官正在车站迎候。随即，段祺瑞在李长泰等人的陪同下，一起赶往第八师司令部。段祺瑞到达第八师司令部后，稍作休息，天便亮了。这时候，傅良佐和驻保定的陆军第三师师长曹锟已经联络妥当了。曹锟也表示愿意接受总理的指挥，一切听从调度，一致讨伐叛逆。第三师的前身是北洋第三镇，是新建陆军的精锐部队，曹锟当时有“虎将”之称。得到报告后，段祺瑞精神大振，深感有了把握更大了。
就在段祺瑞等人忙着部署时，陈文运也赶到了。陈文运是段祺瑞的学生、老部下，当时是北洋政府陆军中将，担任北京第二讲武堂堂长。张勋复辟的那天夜里，陈文运正在北京，他发现事情不妙，便悄悄地溜出京城，回到天津家里。段祺瑞离开天津时，派人给陈家留下话，让陈文运一回来立即去马厂。于是，陈文运到天津后不久，便赶到了第八师的驻地。段祺瑞找来陈文运，是希望他去解决掉天津方面的复辟党。
当时天津方面，直隶省长朱家宝和直隶警察厅厅长杨以德都已经投靠了张勋，其中朱家宝属于热衷帝制的一批人，而杨以德则属于跟风的一派。段祺瑞所要做的，是让陈文运威逼杨以德，让他赶走朱家宝。朱家宝当时已经被张勋任命为民政大臣，他本人又积极响应复辟，段祺瑞认为他靠不住，必须要赶走才能稳固后方。
陈文运接到命令后，立刻返回天津，向杨以德转告了段祺瑞的话。杨以德本来就只是跟风而已，他一见段祺瑞要动真格的了，毫不犹豫就同意了按段祺瑞的意思办。不久后，朱家宝就被杨以德赶出了天津城，天津市面上又重新换上了五色国旗，陈文运当即向段祺瑞汇报情况。段祺瑞很快就将陈文运任命为天津卫戍司令，让他负责天津的防务。
段祺瑞到马厂的消息，很快就传播开来。因为事情来得突然，段祺瑞走得又十分急促，他的不少部下、幕僚以及追随者们当时都没有得到通知。知道这一情况后，这些人便纷纷赶来，其中包括靳云鹏、贾德耀等一大批人。
7月2日下午，梁启超也风尘仆仆地赶到马厂。对于这位舆论领袖，段祺瑞可不敢怠慢，他立刻亲自到司令部门口迎接。对于梁启超的到来，段祺瑞也非常高兴：“任公此来，大振我军军威啊。”梁启超笑着回道：“打仗我是不行的，我这次来给总理当个小秘书吧。” 段祺瑞大喜不已。随后，梁启超便开始起草讨伐张勋的通电。
7月3日，汤化龙也到了马厂。经过一番紧张的商讨和布置后，就在这一天，讨逆军司令部正式成立。段祺瑞自任总司令，梁启超、李长泰、汤化龙和徐树铮为参赞，傅良佐、曲同丰为参议。讨逆军下辖东西两路军：东路总司令为段芝贵，西路总司令为曹锟，段祺瑞亲自统率第八师。
第二天，段祺瑞就以讨逆军总司令的名义，发出讨伐张 勋的通电和发布讨逆撤文，冯国璋在南京首先通电响应。同一天，段祺瑞还和冯国璋联名发表通电，历数张勋八大罪状。有了这两位北洋系巨头带队，全国顿时一片讨伐张勋的声音。7月5日，在第八师先头部队开至天津韩柳墅、廊坊一带后，段祺瑞也由马厂回到天津，开始讨逆行动。临行前，梁启超还即兴撰写了一副对联，上联是“上将军段祺瑞”，下联是“讨叛国逆张勋”。对联写好后，梁启超当场赠给了李长泰。
段祺瑞
为了加强己方兵力，以便在最短的时间里扑灭复辟，贾德耀等人又向段祺瑞建议重新起用冯玉祥。冯玉祥原本是第十六混成旅旅长，他虽然也是安徽人，但因为和徐树铮、傅良佐等人不和，所以倾向于直系，也因此受到皖系的排挤。到最后，冯玉祥的旅长职务也被找借口撤掉，由他手下的团长杨桂堂接任。但是，冯玉祥在十六旅根基很深，深得军心，杨桂堂接任后，根本就指挥不动部队。当时第十六混成旅驻扎在廊坊，正是进攻北京的咽喉要道，张勋也在争取这支力量，因此无论从军事上，还是从战略位置上讲，这支部队都极为重要。
对于能否得到冯玉祥的支持，段祺瑞并无把握。贾德耀当即劝道：“冯玉祥本人是反对复辟的，我相信只要总理肯恢复他的职务，他必定会全力以赴。”段祺瑞一口答应下来：“你去和他谈谈，只要他反对复辟，我就恢复他的职务。”贾德耀向外走的时候，段祺瑞又补上一句：“你告诉他，只要他打好了这一仗，我不光恢复他的职务，还让他做师长。”冯玉祥得到段祺瑞的保证后，当场就加入了讨逆军。
相比段祺瑞而言，此时的黎元洪格外艰难，他本来只是请张勋一个人到北京调停，却怎么也没想到他竟然会率领军队前来。原本在张勋到达北京之前，黎元洪的部下夏寿康就已经向他提出建议，恢复段祺瑞国务总理的职务，让他负责将张勋拦在天津。只可惜，黎元洪下不定主意，他找张勋来北京就是为了对付段祺瑞，现在为了对付张勋又要恢复段祺瑞职务，实在是拉不下这个脸。就在黎元洪犹豫的时候，机会便就此错过。
张勋复辟以后，黎元洪无奈之下，只得躲到了日本大使馆避难。不过在避难之前，黎元洪还最后发布了两道命令，恢复段祺瑞国务总理的职务和要求副总统冯国璋代行大总统职务。黎元洪深知自己此时已经难以离开北京，只能将讨伐叛逆的希望寄托在段祺瑞和冯国璋身上。段祺瑞本身以在野的身份组织讨逆军不是那么名正言顺，黎元洪恢复他总理的职务，正好给了他一个合适的身份。另一边的冯国璋很快也以代理大总统的身份，通电全国讨伐张勋，他将倪嗣冲任命为讨逆军南路总司令，率领浙江、江西、湖北等省的北洋军，进攻张勋的大本营徐州。
战斗正式打响是在1917年7月5日这天，讨逆军兵分两路：东路由李长泰的陆军第八师和冯玉祥的陆军第十六混成旅组成，他们在东路司令段芝贵指挥下，于廊坊会合，随后沿着铁路进击黄村。西路则是西路司令曹锟所率领的陆军第三师组成，他们乘火车从保定开赴马厂集结，然后向北京进攻。
战斗开始当天，东路军就攻占了黄村，西路军的先头部队吴佩孚旅也占领了卢沟桥，对驻守丰台的辫子军形成夹击之势。到了7月7日，双方进行了第一次正面交锋，讨逆军凭借着压倒性优势，向丰台发动猛攻。驻守丰台、南苑一带的守军大约有四个旅左右的兵力，其中主要是陆军第十一师和陆军第十二师，而真正属于张勋的辫子军只有两个营的人马。第十一师和第十二师也是北洋系的人马，哪肯为张勋卖命，战斗打响后，他们就直接在阵前倒戈，辫子军惊慌失措下，只得向城里逃窜，讨逆军乘势追击到了城下。
冯玉祥
也就在这一天，中国历史上第一次飞机参战诞生了。为了响应讨逆军，南苑航空学校校长秦国镛派遣飞行学员张纳墀驾驶飞机到天津段祺瑞请战。段祺瑞立刻同意，让秦国镛等组织飞机轰炸北京城。不久后，航空学校飞机工厂厂长潘世忠便亲自驾驶飞机在丰台战场投掷炸弹。辫子军败退后，潘世忠等人又驾驶飞机，到紫禁城投掷了三枚炸弹。这是中国首次真正使用飞机作战，炸死的辫子军只有四五十个人，还误伤了十多个平民，威力虽然不大，但影响极大，宣统皇帝在皇宫内吓得不行，其他大臣更是被吓得四散而逃。
7月8日，讨逆军攻进了朝阳门，辫子军被迫退守到天坛、紫禁城一线进行防御。到了此时，张勋才发现，原来段祺瑞是真的要打他了。更让张勋感到错愕的是，原先在徐州会议上表示会支持他的督军们，一下子全没了声音，反而还站出来准备讨伐他。张勋这才知道上当了，但他也没办法，只得一边下令修筑工事进行顽抗，一边急电徐州增派援兵。只可惜，此时张勋的后路此时早已被切断了。
在讨逆军发起进攻之前，交通处长叶恭绰就已经暗中通知了京奉、京汉、京浦等各路局，迅速将所有机车、客货车全部集中于天津一带，不让辫子军使用。7月1日，段祺瑞到马厂后，便下令让第八师在南来各要道设岗严格检查，凡是留辫者一律扣押。为了防止辫子军增援，段祺瑞任命倪嗣冲为皖晋豫三省联军总司令，并派徐树铮亲自去蚌埠坐镇，从背后牵制徐州的辫子军。与此同时，段祺瑞派曾毓隽前往济南，督促山东督军张怀芝，让他从中间割断徐州与北京的辫子军之间的联系。此时，身陷北京的张勋，早已成了瓮中之鳖，既进不得，也退不得。
更可怕的是，原先和张勋一起参与复辟的人这时候或缩头或逃走或躲藏，甚至连他的部下也开始背叛了。驻守天坛的辫子军将领李辅廷在讨逆军攻入北京后，便被收买了。他按兵不动，拒绝听从张勋的调遣。张勋带往北京的部队共十个营，到8号这天，便有六个营失去了控制，这对张勋是一个很大的打击。而留守徐州大本营的张文生，这时候也从背后捅了他一刀。
张勋从徐州北上的时候，认为有其他各省督军的支持，所以带的人马不多，大多数军队都留在了徐州。不过张勋也留了一手，他临行前特意交代张文生在徐州好好地看家，并同张文生约定一个暗号，那就是复辟开始以后，只要见张勋发电报“速运花四十盆来京”，徐州方面就调四十营兵开往北京，张文生一口答应下来，保证照办不误。结果，当复辟宣布后，张勋按照约定暗号发去了电报，张文生却真的从徐州花园里取出四十盆各种花卉，派两个副官押运到北京，交给了张勋。
张勋一见，就知道张文生背叛了自己，他气得浑身颤抖，连说：“坏了，坏了，这小子也抽我的梯子了。” 面对众叛亲离、四面楚歌的境地，张勋仍然不肯投降。忠于他的部队这时只有苏锡麟指挥的四个营，连同卫队加在一块也只有1500人，而讨逆军和倒戈的京畿陆军却人多势众，武器精良，他们将北京城团团围住，只待段祺瑞一声令下，便发动最后的攻击。
就在这时候，段祺瑞却向各部队发出暂停进攻的命令。原来，各国驻华公使为了避免受到影响，都提出了外交解决方法。段祺瑞认为，为了保全北京人民的生命财产，避免这座古城遭受战火的毁坏，同意接受外交谈判来解决。
7月8日，段祺瑞派交涉处长刘崇杰和汪大燮入城，通过驻华公使团向张勋提出了取消帝制、解除武装、保全张勋本人生命和维持清室优待条件四项停战条件。在外交使团的压力下，张勋仍然讨价还价，不肯接受全部条件。他对代表各国公使前来接洽的荷兰公说道：“我绝对不会投降，这事又不是我一个干出来的，我手上有他们的电报和签名，他们谁也跑不掉。要是把我逼急了，我直接把这些全都抖出去。”
转眼间三天过去了，和平谈判依然毫无进展，在与外交使团达成协议后，段祺瑞在7月11日晚上，向讨逆各部队发布三路进攻的命令，要求他们在12小时内结束战斗的命。7月12日天刚亮，讨逆军便先后攻进了朝阳门、永定门、庆安门、彰仪门以及中华门，辫子军无力抵挡，纷纷缴械投降。一时之间，只剩下南河沿张勋住宅仍在抵抗。战斗正在进行时，京师警察总监吴炳湘突然跑来，通知暂停进攻。他对指挥战斗的军官们说：“马上有辆插着荷兰国旗的汽车经过，请不要射击，让它通过。”
叶恭绰
这辆汽车就是来接张勋的，车上有两个荷兰人、一个德国人和一个翻译。在这之前，张勋的两个姨太太和子女已经先行避往荷兰使馆，此时南河沿公馆只剩下张勋和他的二太太邵夫人。车到后，大家都劝张勋上车，但他死活不肯走。这时候，不知什么地方突然打来一炮，房子顿时燃烧起来。外国人顿时急了起来，便和翻译一起，不由分说把身材矮小的张勋架上了汽车。张勋拼命挣扎，又气又急，恼怒中甚至朝身边的一个荷兰人狠狠咬了一口，但却无济于事。张勋走后，残余的辫子军全部缴械了。北京城中又飘起了五色国旗。一场复辟闹剧仅仅持续了十二天就结束了。
张勋复辟被镇压后，段祺瑞赢得了“三造共和”的美誉。参与复辟的人员也遭到了通缉、逮捕或法办。然而真正的元凶张勋却一直逍遥法外，没有受到丝毫惩罚。这自然引起了种种猜测。最有普遍性观点认为，张勋手里保留了徐州会议时各省督军和代表们的签名以及他们发来的复辟的信函和电报。这些材料牵涉了很多北洋系军阀，甚至还包括了当时的代总统冯国璋和国务总理段祺瑞。正因为如此，这些人投鼠忌器下，才不得不放他一马。不过张勋虽然逃过了一劫，但政治生涯却就此结束，再也未能复出。