复辟次日，段祺瑞与徐世昌商量之后，即偕靳云鹏、梁启超、汤化龙等人从天津赶到马厂，准备武力讨伐张勋。3日，段召开马厂军事会议，议决设“讨逆军总司令部”，段自任总司令，分东西两路，以段芝贵为东路司令，曹锟为西路司令。接着，段通电宣布讨逆，电文声称：“窃维国体者，国之所以与立也。定之匪易，既定后而屡图变置，其害之中于国家实不可胜言。……今张勋等以个人权位欲望之私，悍然犯大不韪，以倡此逆谋，思欲效法莽、卓，挟幼君以制天下……”（许指严著：《复辟半月记》，中华书局2007年版，第23页。）4日，冯国璋、段祺瑞联合通电，列举张勋破坏民国、糜烂京师等八条罪状，宣布出师讨逆。段颁发通告，宣布军令六条；并致电张敬尧，希望张克日率队北上；又电田中玉，说张勋有可能劫持清帝西走内蒙古，希望田会同第七师驻张家口骑兵严防，以防其逃脱。同日，驻马厂的第八师师长李长泰通电宣布讨逆。
4日，段芝贵率领东路讨逆军第八师自马厂出发，经天津转赴北仓，进驻落垡、廊坊一带，5日凌晨在万庄击退张军。曹锟所部西路讨逆军自保定北上进驻涿州、良乡，占领卢沟桥一带。5日，段祺瑞通电宣布就任国务总理，自马厂移至天津，暂以直隶省公署为办事处，随后致电王士珍、江朝宗、吴炳湘，以攻城在即，希望他们维护所有京城地方秩序及使馆内外外国人和清室的安全。同日，张勋通电各省，揭露冯国璋、段祺瑞、徐世昌等人实参与策划复辟活动，并说数年以来，复辟密谋进行实全仗众力，去年历次徐州会议，冯、段、徐、梁诸人及各省督军，都有代表在场，今日复辟实行，众人又一概反对，真是翻云覆雨、出于俄顷，人心如此，实堪浩叹。倪嗣冲于同日发表通电，表示自己对复辟一事事前根本不知，事后岂能承认，今后一切随冯国璋、段祺瑞保持一致。张作霖则致电曹锟等，声称早已反对复辟，只因奉省地位特殊，故未能为天下先。7日，张作霖通电否认自己参与复辟阴谋，并讲这次复辟罪在张勋，清帝年幼，与复辟一事毫无关系，以前优待条件须当遵守。陆军第十六混成旅旅长冯玉祥也在5日通电宣布，表示要誓以铁血拥护民国，并拥护段祺瑞为讨逆军总司令誓师讨逆。驻北苑及通州的陆军第一师、近畿陆军第一旅也发布讨张宣言，表示服从段总司令指挥。南苑航空学校校长秦国镛致电段祺瑞，表示愿率飞行队与讨逆军一致行动，并在7日派飞机投弹轰击清宫。
6日，冯国璋在南京就任代理大总统，特任段祺瑞为国务总理，令准免国务总理李经羲本职，接着任命倪嗣冲为“讨逆军南路总司令”，节制沪、杭、赣所有各师旅。浙江督署召开军事会议，议决编组“混成支队”出师讨逆。后编入南路北伐军，受倪嗣冲节制。段祺瑞于同日任命李长泰为“讨逆军参赞”，次日，复任为“讨逆军东路副司令”。江西督军李纯于是日下令动员誓师北伐，宣布自任赣省北伐军总司令，编组一、二两军，先遣队相继出发。
7日，冯国璋下令褫去安徽督军张勋本职并军职、勋章、勋位，特任倪嗣冲兼安徽督军，齐耀琳暂兼江苏督军，着免直隶省长朱家宝本职，以曹锟兼署。冯以讨逆军荡平张勋逆军之期指日可待，令所有各省军队，除业经调遣外，均应各驻原防，维持地方秩序。康有为也看到形势不妙，致函徐世昌，力请徐出来维持复辟残局，信中极力鼓吹虚君共和。
8日，“陕西讨逆军总司令”张钫通电，宣布出师潼关准备讨逆。是日，溥仪发布谕旨，开去张勋“内阁议政大臣暨直隶总督兼北洋大臣”职务，内阁政务暂由王士珍办理，等到徐世昌来京，再会同商量善后办法。9日，冯国璋下令倪嗣冲节制张勋在徐州的军队。是日，讨逆军在丰台车站逮捕了张镇芳、雷震春，在天津车站捕获了冯德麟。驻京荷兰公使代表外交团照会步军统领衙门，要求一方面解除张勋所部武装，一方面让段祺瑞宣言担负保护张勋及其所属安全的责任。10日，徐世昌致电张勋，指出情势紧迫，应设法迅速脱卸责任，建议张将军队交给王士珍、江朝宗、吴炳湘，解除武装，移驻城外，方可不操兵权、不负责任。并告已与段祺瑞商明，对其家室财产，力为保护。11日，段祺瑞派汪大燮会晤荷兰公使，请其转告外交团，对张军将予武力解决，但战斗区域一定会设法限制，不会危及外国人。
12日，讨逆军进抵都门，分三路攻城。张军屯聚天坛，密布炮位于天安门、景山、东西华门各处顽守。晨4时半，讨逆军冯玉祥、吴佩孚、张纪率部攻天坛，激战两小时，张军不支，提出以发给三月军饷为投降条件，段祺瑞答应，即向日本正金银行借款支付。上午7时天坛张军投降。另有旅长商震率步炮各团营堵截西直门、阜成门。旅长王承斌所部占领宣武门，炮击天安门及南河沿张勋私宅。张闻之丧胆，11时在德国人保护下，乘车逃入荷兰使馆。下午3时许，其余各处张军全部投降。讨逆战争结束。张勋的复辟闹剧以彻底失败告终。
14日，段祺瑞由天津赶到北京。黎元洪于是日通电去职。北洋军界发表通电，提出取消优待条件，取消宣统名义、贬溥仪为平民及惩办叛逆诸元凶等四项解决时局办法。次日，冯国璋下令准免陆军总长王士珍本职，以段祺瑞兼任。特任汪大燮为外交总长，刘冠雄为海军总长，萨镇冰为海疆巡阅使。18日，冯国璋又任命汤化龙为内务总长，梁启超为财政总长，林长民为司法总长，张国淦为农商总长，曹汝霖为交通总长。上述内阁人选主要是段派官僚和以梁启超为首的研究系，人称段、梁内阁。
段、梁内阁上台后，拒绝恢复临时约法和国会，他们认为：民国已因复辟而亡，应照1912年的办法，成立临时参议院，重订国会组织法与选举法，召开新国会；二是督军团以全力打破国会，今再恢复，将生很大反动；三为国会两度试验失败，不尽职守，仅以查办质询为事，成效不大，威望已失。但其真正原因是不愿国民党控制的国会存在。24日，段祺瑞通电各省，征集召开临时参议院意见，声称国会已明令解散，断无重行召集的必要，既有参议院行使立法权，即无异于国会的存在。7月底，张作霖、王占元、倪嗣冲、杨善德、阎锡山、孟恩远、齐耀琳、赵倜、田中玉等分别复电政府，赞成召集临时参议院。这种公开破坏民主共和的逆流遭到了以孙中山为首的资产阶级革命党人的强烈反对，由此护法运动开始。
