1911年12月初，南北议和已经开始，袁世凯违约进攻山西民军。大军压境，阎锡山分析敌我双方力量，觉得难制胜，遂致函袁世凯称，如果袁能“协同军民，颠覆帝制，然后敷政共和，与民更始”，则拥袁为中华民国“第一任大总统”。袁世凯同意联盟，任命阎锡山为山西都督。

1912年8月，同盟会改组为国民党，阎锡山被任命为参议。由于袁世凯对革命党人恨之入骨，阎锡山为了讨好袁世凯，遂于1913年宣布脱离国民党，继而又根据袁世凯的命令，饬令山西“各县知事将国民党分设机关一律解散”，放任袁世凯派到山西的爪牙肆意打击、迫害以至杀害同盟会员，不置一词。

1915年，袁世凯阴谋称帝，阎锡山首先向筹安会提供经费银币两万元，接着又连电劝进，夸袁世凯“以大有为之才，乘大有为之势，毅然以救国救民自任，无所用其谦让”。袁世凯阅后喜不自胜，批复“颇有见地”，随后封阎锡山为一等侯。

袁世凯倒行逆施，遭到全国人民的反对。蔡锷、唐继尧等在云南成立护国军，发布讨袁檄文。袁世凯节节败退，不久死亡。

袁世凯死后，北洋军阀的统治局面并未改变，段祺瑞出任国务总理。阎锡山又依附于段祺瑞，在重大问题上唯段马首是瞻。

1916年7月，阎锡山改任山西督军，一面排挤打击异己，使省长孙发绪和沈铭昌难以处事，相继离职；一面贿请内务总长汤化龙为其说话，称段祺瑞为师，遂得于1917年9月兼任省长。从此，山西的军政大权集于阎锡山一身。

段祺瑞重新执政后，拒绝恢复被袁世凯废弃的《中华民国临时约法》。孙中山在广州成立护法军政府，就任陆海军大元帅，下令讨伐段祺瑞。阎锡山站在段祺瑞的一边，电促冯国璋等抗击护法军，并派晋军第一混成旅长商震率部赴湘参战，结果全军覆没。

拥袁称帝与反对护法的相继失败，迫使阎锡山接受教训，奉行“三不二要主义”，即“不入党、不问外省事、不为个人权利用兵，要服从中央命令、要保卫地方治安”。后来他概括为“保境安民”，要求“与邻省联络，使能不为我患，或竟邻疆乐与合作，进而为我用，代我御侮”。此后，他多次拒绝参加军阀混战，使山西维持了数年的和平与安定。与此同时，他以兴利除弊为施政大要，发表“六政宣言”，成立“六政考核处”，致力于经济和政治建设，出台了一系列措施，推动山西各方面的发展。在阎锡山的大力整治下，即便在军阀混战的年代，山西暂时出现了社会比较安定、生产有所发展的局面，邻省的灾民大量拥入山西，寻求安居乐业之所，山西还获得了“模范省”的称号。

美国《时代周刊》将他选为了封面人物，并盛赞他为“和平军阀”，说：“作为山西的‘模范督军’，阎锡山实际上处在一个独立王国之中。尽管当时晋西南地区还存在粮食短缺，但阎锡山为一千一百万人带来了繁荣，在中国，他们最富裕，因而他便显得出类拔萃。”