1911年，清政府在天津馬廠舉行訓練新軍的永平秋操，李烈鈞與邱斌作為滇軍代表參加，離滇往滬，在滬停留兩周，與同盟會中部總會宋教仁、譚人鳳等聯繫，共同籌劃長江流域的革命活動，溯江西上，10月13日抵漢口，武昌起義已三日，被迫出任起義軍首領的黎元洪乘火車北上，翌晨抵北京，與北洋第六鎮統制吳祿貞及王侃等人合謀迅速響應武昌起義。
江西同志電促李烈鈞返贛，李烈鈞遂離京經津、滬，於10月26日抵達九江。九江已於23日光復，原五十三標標統馬毓寶為九江軍政府都督，李烈鈞抵潯後，軍政府總參謀長蔣群真誠相讓，李烈鈞無法推辭，遂於三國名將周瑜的衙署設總參謀長辦公處，正式就職。歐陽武、卓仁機等相繼來到九江，協助李烈鈞，組織敢死隊，李明揚為隊長。是時，南昌尚未光復，江西巡撫馮汝癸效忠清室，指使馬獻廷假意投誠，暗探九江都督分府活動情況。一日，馬潛入總參謀長辦公處，偷閱文件，被李發覺，交付軍法處會審，查出密信及其他罪證，立即判處馬獻廷死刑，清除了一大隱患。隨即部署佔領長江要塞金雞坡炮臺和馬當炮臺，調走炮臺司令徐公度，將長江防線攔腰截斷，阻住了清海軍司令黃鐘瑛率領的由武漢順水東駛上海的十一艘軍艦和兩艘魚雷艇，清海軍統制薩鎮冰乘漁舟逃遁，李烈鈞派林森、吳鐵城等上船，經曉以利害，清海軍隨即宣布起義。新編二支艦隊，第一艦隊司令黃鐘英，第二艦隊隊司令湯薌銘（湯化龍之弟），李烈鈞被推為海陸軍總司令，九江革命勢力因之大振。
穩定九江之後，安徽同盟會的胡萬泰等人來到九江，請李烈鈞發兵安徽，於是派團長黃煥章率領兩營光復安慶。不料，黃煥章的隊伍到安徽後紀律廢弛，到處搶劫掠奪。安慶各界急電請願，李烈鈞親領兩艘兵艦和一營步兵前往。到安徽後，李烈鈞下令將黃煥章看管，將肇事者軍需顧瑛槍決，並下令黃煥章部下將所掠奪的財物全部交出，發還原主，李烈鈞此舉「一時頌聲載道」。安徽各界開大會歡迎李烈鈞，並推舉他為安徽都督，於11月21日就職。
李烈鈞任安徽都督不久，派人會見江浙聯軍總司令徐紹楨、鎮江都督林述慶，密商共取南京。出兵前一日，馮國璋派重兵進攻武昌，黎元洪一日五次急電，向李烈鈞求援。李烈鈞接電後立即辭讓皖督給胡萬泰。在西上武昌前，李烈鈞派俞應麓率一旅支援徐紹楨，於12月2日攻佔南京，29日各省代表在南京開會，選舉孫中山為臨時大總統。
李烈鈞到九江緊急帶領已集合的海陸軍乘艦西上，於湖北陽邏登岸入武昌城。廣西等省援軍到達後，在軍事會議上，李烈鈞被任命為蘇皖粵鄂贛五省聯軍總司令兼中央軍總司令，李烈鈞率軍控制了武昌重要地區，與杜錫鈞的右翼軍、王芝祥的左翼軍互為犄角之勢，向孝感、黃陂襲擊清軍後方，所部海軍日夜巡弋江面，緩和了武昌形勢。此時，各省紛紛響應武昌起義，並宣布獨立。馮國璋見戰局如此，不敢越長江一步。南北和談結束後，黎元洪以10萬元犒賞九江援軍，以數萬元獎賞李烈鈞本人，但李烈鈞自己分文未取，全部發給部下。
1911年10月31日，南昌光復，短短幾個月，先後由吳介璋、彭程萬、馬毓寶出任江西都督，形勢複雜。馬毓寶因放縱民團，濫用庫款，為江西人民所不滿。士紳電請南京臨時政府委任李烈鈞為江西都督，並派代表俞應麓到南京請願。孫中山允其請，任李烈鈞為江西都督。
1912年2月下旬，李烈鈞就任江西都督後，積極整頓軍事、政治和經濟，江西氣象一新。主要有：一，改組軍政府，羅致革命人才。廢部設司，簡化機構。組織及人選多取決於黨部會議，從不獨斷。任命同盟會員為各司、廳、處主官，江西政權遂完全由同盟會人所掌握。設立禮賢館，吸收外來人才。為政不分省界，不分親私，凡有真才實學者，必予留用。外省人士聞江西政局似有可為，次第來贛，絡繹不絕。二、大力整編軍隊，減輕人民負擔。江西在前清時僅養兵一混成協，光復後驟增至兩師，既無戰鬥能力，紀律又不好。李烈鈞克服困難，整編為二師一旅的新贛軍，第一師師長歐陽武，第二師師長劉世鈞，混成旅旅長方聲濤，兵員減半。經過訓練，新贛軍成為李烈鈞的一支可靠的勁旅。三、肅清匪患，安定社會。江西洪江會在光復時曾有功於革命，自恃其功，肆意猖狂，無所不為。李烈鈞認識到治贛必先清匪，先將要匪彭木香在鉛山河口鎮緝拿歸案，解省訊明得實後處決。匪首龍正文、陳細鬼在湖北被擒，解回南昌正法。同時，對其餘匪徒採取「脅從罔治」政策，促其投案自首，改邪歸正，在很短期間，贛省心腹大患解決，人心稱快，全省秩序得以安定。四、整理財政，減輕賦稅。當時省庫空虛，財政支絀。李烈鈞接受留學日本和英國的經濟學家徐秀鈞的建議，開辦江西國民銀行，發行地方鈔票，截收鹽稅，同時注意節流，擺脫了財政困境。6月，頒布新的徵收稅賦規定，通令全省1910年以前的所有應繳稅賦概行豁免。仿王安石「青苗法」，在各地舉辦貧民借款所，解除民困。五、發展交通，興修水利。積極推進南潯鐵路的興建，同時提議修南萍鐵路。撥款40萬，僅數月便修竣南昌、新建所有圩堤，解除南、新兩縣水患，百姓稱頌。六、培養人才，資送留學。李烈鈞深以造就人才，儲為國用為要務。積極籌措經費，經標示招考，選送赴歐美和日本的留學生，培養出陳寅恪、胡先驌等知名學者。七、歡迎孫中山巡視江西。1912年10月25日，孫中山抵達江西，得到李烈鈞隆重接待，樹立了江西人民對革命的信念，顯示了江西革命的力量。
1913年3月，在國會召開之前，袁世凱派人暗殺南京臨時政府農林總長宋教仁，接著又向五國銀行籤定了二億五千萬元的善後借款，準備撲滅革命勢力。5月5日，李烈鈞與湖南都督譚延闓、廣東都督胡漢民、安徽都督柏文蔚通電，反對袁世凱與五國銀行籤訂大借款，並公開指出袁世凱為刺殺宋教仁的罪犯。袁世凱惱羞成怒，下令免除李烈鈞江西政府都督職務。江西省議會請李烈鈞起義，李烈鈞不同意，他說：「中央免除吾職，吾即起義，是反也，非義舉也，袁世凱違法，重襲帝制，以民意伐之，吾赴聽命。」6月中旬，由九江赴上海，臨行，囑省議員楊賡笙速回其故鄉湖口縣作發難準備。李烈鈞至上海會見孫中山、黃興等籌商反袁事宜。在孫中山主持的討袁會議上，當孫中山徵詢哪省首先發難時，大家鴉雀無聲，有人說「今日之事非協和先生不可」，李烈鈞毅然回答到：「當仁不讓」，遂被公推為討袁軍總司令。
7月7日，李烈鈞由上海回至湖口，省議會一致推舉李烈鈞為江西討袁軍總司令，歐陽武為江西都督，宣布江西獨立。7月12日在湖口成立討袁軍司令部，李烈鈞就任討袁軍總司令兼正面軍司令，江西混成旅旅長方聲濤為右翼軍司令，江西第一旅旅長林虎為左翼軍司令。發布討袁檄文，通電全國，痛斥袁世凱：「乘時竊柄，帝制自為，意圖破壞共和，為全國之公敵。」江西通電後，黃興便在南京強迫程德全於15日響應。接著，湘、鄂、皖、閩和上海、重慶等省市，相繼宣布獨立。
7月20日，袁世凱下達討伐令，以馮國璋、張勳兩部進攻南京，派段芝貴為江西宣撫使，率李純、馬繼增等部進攻江西，並令鄭汝成、湯薌銘率領海軍協助。討袁之戰，於是即在湖口、九江、蕪湖、南京及長江下遊一帶發動起來。北洋第六師李純率軍企圖進入江西，在瑞昌、德安間與討袁軍展開激戰。李烈鈞令林虎等據險阻擊，初戰告捷。但因兵力懸殊，湘、粵援軍未至，九江、姑塘、湖口等地相繼被袁軍攻陷。李烈鈞退守南昌，不忍南昌城內百姓因戰禍受損失，特地將戰場移於郊外樵舍、王家渡等處，不憑城固守。此時，安徽、湖南等省相繼取消獨立，南京起義軍在徐州戰敗，黃興離開南京，程德全宣告江蘇取消獨立。8月15日，討袁軍樵舍失守，繼而轉移至豐城，8月底，駐守臨江，與袁軍激戰數日，斃敵數百。後因袁軍大集，敗局已成。李烈鈞乃退離江西，由湖南都督譚延闓安排，遠赴日本，與孫中山、黃興等會合，「二次革命」遂告失敗。
1915年5月，袁世凱接受了賣國的「二十一條」。8月，楊度等發起籌安會，策動各省擁袁稱帝。孫中山函電督促寓居新加坡的李烈鈞回國，組織反袁鬥爭。李烈鈞決心入滇反袁，10月，先派人送「西南保障」「國家柱石」之刺繡給雲南都督唐繼堯，後又派方聲濤入滇聯繫革命志士。12月，直接闖關入滇，抵老開受阻。李烈鈞致電唐繼堯：「此來為國為兄，雖兄將餘槍決，向袁逆報功，亦不敢計也。」翌晨得唐復電，唐繼堯派其弟繼虞親迎李烈鈞至昆明。12月12日，袁世凱稱帝。李烈鈞命鍾動起草《討袁檄文》秘密送往香港，由李根源交各報登載，各界都知李烈鈞已發動討袁。隨後，蔡鍔抵達昆明。25日，決定成立雲南軍政府，26日，唐繼堯宣布雲南獨立。李烈鈞提議起義軍定名「護國軍」。蔡鍔任第一軍司令官，出兵四川；李烈鈞任第二軍司令官，進軍兩廣；唐繼堯任第三軍司令官，鎮守雲南。李烈鈞以何國鈞為參謀長，鍾動為秘書長，方聲濤、張開儒為第一、二梯團長，朱培德任旅長，曹浩森、熊式輝、張治中分任團、營長。經蒙自向兩廣進發，主攻袁世凱死黨廣東都督龍濟光。1916年3月11日，在廣西百色擊敗龍軍，活捉龍濟光之弟覲光。3月15日，廣西獨立。下旬，李烈鈞率第二軍抵達南寧，會晤廣西都督陸榮廷後向廣東進發。3月22日，袁世凱被迫宣布取消帝制。4月6日，龍濟光宣布廣東獨立，以圖自固，當李烈鈞率軍到粵境時，圖謀進攻第二軍。李烈鈞由龍母廟出師，集中清遠，命師長張開儒攻韶關帽子峰，韶關鎮守使朱福全聞炮逃走。「李烈鈞三炮定韶關」名動一時。其後，連克源潭、江村，令左翼盛榮超攻白雲山，右翼朱培德攻石井兵工廠，龍濟光部不支，急電袁世凱乞援，袁世凱派王芝祥南下議和。最後，龍濟光敗走瓊崖，粵省遂定，其時陸榮廷也率師來粵，主持粵政。這時，袁世凱因各省獨立，各路護國軍風起雲湧，知大事已去，憂懼成疾，6月6日暴卒。
1917年5月，國務總理段祺瑞利用督軍團壓迫國會接受對德宣戰案。段被繼任總統黎元洪罷職後，唆使北洋督軍叛變獨立，以武力脅迫黎元洪解散國會。7月1日，張勳、康有為擁清室復闢。12日，段祺瑞以討復闢功，重任國務總理，背棄約法，解散國會，黎元洪被迫去職。孫中山致電參眾兩院議員，號召議員南下護法。海軍總長程璧光與第一艦隊司令林葆懌聯名通電，提出擁護約法、恢復國會、懲辦禍首三項主張，率第一艦隊共十艘軍艦南下廣州。8月25日非常國會開幕，31日組織中華民國軍政府。9月1日非常國會選舉孫中山為海陸軍大元帥。10日，孫中山宣誓就職，任命李烈鈞為大元帥府參謀總長。軍政府的成立，標誌著護法運動高潮的到來，也標誌著南北對峙局面的形成。
段祺瑞以北洋武力鎮壓西南護法，挑起第二次南北戰爭。粵、桂、滇、黔四省聯成一片，成為護法運動中心。湖南、湖北等省相繼起事。護法運動遍及十幾省。在孫中山的部署下，李烈鈞組織援閩靖國軍，與陳炯明軍共同徵討北洋軍閩督李厚基，李不斷向段祺瑞求教，段祺瑞派的援軍第十六混成旅旅長馮玉祥行抵江蘇浦口，停兵不進，通電主和。1918年春，龍濟光死灰復燃，由瓊崖進犯粵西南，威脅廣州。軍政府急調李烈鈞移師伐龍。李烈鈞將滇、桂、粵軍分組成四個軍，由李根源、林虎、魏邦平、劉志陸分任司令，3月30日，攻佔陽江，次下電白，龍軍敗退瓊崖，龍濟光逃避香港。4月，軍政府命李烈鈞援贛，後因軍政府改組，西南軍政要員排擠孫中山，孫中山出走上海，因之，李烈鈞命援贛之戰停頓，各軍固守陣地，以待時變。
1920年8月駐閩粵軍響應孫中山的號召，回師廣東討伐桂系軍閥。粵軍佔領廣州後，孫中山於11月底回到廣州，宣布重建軍政府，繼續執行護法職務。1921年4月，國會非常會議選舉孫中山為非常大總統，李烈鈞仍任參謀總長。孫中山要求北伐前掃平桂系，6月李烈鈞指揮滇、黔、贛三軍直搗桂林，擊敗陸榮廷、沈鴻英，12月迎孫中山到桂林，設北伐大本營。1922年1月，李烈鈞兼任北伐第一軍總司令，率部攻打湖南。後因陳炯明作亂，暫回廣州。5月，孫中山任命李烈鈞為北伐總司令，許崇智為三路總指揮。6月初，兵鋒橫掃贛南，直指吉安。6月16日，陳炯明兵變，炮擊總統府，孫中山避走永豐艦。19日，孫中山密令李烈鈞回師平叛。1923年1月陳炯明敗退東江，宣布下野。彼時孫中山在上海與蘇聯代表會晤，命李烈鈞與胡漢民負責大元帥府工作。李烈鈞赴汕頭收編陳炯明舊部，3月，孫中山任命李烈鈞為閩粵邊防督辦。10月，續任大本營參謀總長。1924年6月，黃浦軍校成立，開學典禮上，李烈鈞以軍事負責人身份發表建軍宗旨演說。10月，奉命赴日爭取日本各界支持北伐事業。11月，北京政府黃郛內閣任命李烈鈞為參謀總長，未就任。1925年2月，孫中山在北京病重，李烈鈞急赴北京。3月12日9時，孫中山溘然長逝，李烈鈞參與主持喪事，並親擬輓聯：「才逾湯武，功蓋桓文，九萬裡震威名，天授如斯，前無古人，後無來者；出秉節鉞，入贊戎機，二十年共患難，山頹安仰，上為國慟，下為私哀。」