太原起义仅仅是取得了初步的胜利，全省乃至全国的形势仍然很复杂。阎锡山也很冷静，他与众人商议，在现有新军的基础上将部队扩编为四个标，以张煌、苗文华、刘汉卿、张瑜为标统。并且随后分兵三路挺进娘子关、晋北、晋南。他的目的很明显，就是要光复全省，阻击清军。
首先任命姚以价为东路军总司令，赵戴文为参谋长，率张煌第一标于10月29日当天黄昏即乘火车向娘子关进发；继而命令张瑜为北路军总司令，于11月1日帅本标北上攻占雁门关并向大同进军；随后又任命刘汉卿为南路军总司令，率第三标于11月19日由太原南下，攻占平阳、运城。
三支部队的进展开始都很顺利。北路军在张瑜、张培梅的率领下积极北进，会同同盟会员续桐溪、弓富魁等人领到的“忻（口）代（县）宁（武）公团”迅速攻占代州、宁武、阳方口等晋北各城。12月初即出茹越口，进抵怀仁，准备进攻大同。恰在此时，大同同盟会员举行了起义，于是内外夹攻，展开了对大同的围攻战，同时革命军得到迅速扩大。
南路军顺利进占平阳后，继续南下。但是遭到巡防队的顽强阻击，刘汉卿阵亡，部队被迫暂时退守平阳。
东路军行动最快，第二天便完全控制了冀晋咽喉娘子关。然后他们即开始修筑工事，查看敌情，严阵以待。在后来清军的大举进攻中坚持了数日，为阎锡山能迅速撤离太原赢得了宝贵的时间。
山西起义的重大意义以及对清廷的震动都出乎阎锡山的意料，因为山西本身由于地理、地形的关系，形成了易守难攻的格局。而且威胁着京汉铁路的侧翼，战略位置非常重要。清廷震惊之余立即委任第六镇统制吴禄贞为山西巡抚，统帅第六镇第十二协（协统吴鸿昌）进兵娘子关。
第六镇是正宗的北洋军，战斗力很强。阎锡山对娘子关一线的防御很担心，急忙调派部队，加强防御。正在此时，吴禄贞的副官长周维祯来到太原面见阎锡山，并带来吴禄贞的亲笔信。
其实吴禄贞也是同盟会员，一直在待机而动，此次率军攻晋正是一次绝佳的机会，因此派心腹周维祯来面见阎锡山，商讨联合举义的事情，并制定了详细的行动计划。阎锡山当然非常赞同联合，但是还是心存疑虑。他虽然对吴禄贞有一定的了解，可是这毕竟不是小事，因此决定亲自到娘子关与吴面谈。
11月4日，吴禄贞率何遂、孔庚、吴鸿昌等人如约乘火车进入娘子关。阎锡山与温寿泉、姚以价、赵戴文在车站迎候。随即，双方在滑驴镇举行会谈。
吴禄贞开门见山的讲了当前朝廷及全国的形势，主张目前最紧迫的就是攻克北京。因为清廷已经启用了袁世凯为内阁总理大臣，一旦袁氏入京当政，掌握了所有北洋军实力，就谁也奈何不了他了。他的计划是：张绍曾率第二十镇及蓝天蔚的第一混成协由滦州西进，他自己帅第六镇第十二协和山西的部队组成燕晋联军，由石家庄北上，两路夹击，直捣北京。阎锡山深受吴禄贞的革命热情所感染，欣然同意。于是燕晋联军组成，吴禄贞为大都督兼总司令，阎锡山为副都督兼副司令，温寿泉为参谋长。并决定山西革命军派出两个营开赴石家庄，归吴指挥，共同执行截断京汉路的任务。吴禄贞返回石家庄的第二天，阎锡山就派祖树裳率军一营先期开至石家庄。
由于吴禄贞露骨的革命态度与行动使清廷和袁世凯都震惊不已，京汉线被截断，大批军用物资被截留，严重影响武汉前线的北洋军作战。袁世凯对吴禄贞可谓是恨之入骨了，因为吴的种种举措将会坏了他的大事，于是11月6日晚，派人将吴禄贞刺杀于石家庄。
这一突然变故使原本组织松散的吴部革命官兵大部溃散，而刚到石家庄的晋军两营也只好将吴部存储于车站的弹药辎重收集起来，返回娘子关。吴部的同盟会员何遂、孔庚等也相随返晋，投奔了阎锡山。
11月14日，袁世凯回到北京，就任了清廷的内阁总理大臣，任命张锡銮为山西巡抚，同时命令北洋精锐第三镇曹锟部和武卫军王汝贤部进攻山西。
12月8日，第三镇协统卢永祥率领20营清兵沿正太铁路西进，直逼娘子关。清军炮火猛烈，攻势甚锐。晋军在娘子关原来只有两个营，后来又调来黄国梁部步队一个营，炮兵一营，何遂组织的学生军敢死队等，但与清兵相比仍处劣势。姚以价为总司令，指挥作战，不久阎锡山亲自赶来督战。但是敌众我寡，激战数日，晋军渐渐不支。12日，娘子关终于失守，阎锡山、姚以价等退回太原。
在严峻形势下，革命军内部意见又产生了分歧。阎锡山认为太原无险可守，主张撤退，以保全革命力量。但副都督温寿泉却强烈反对，他认为作为都督阎锡山应坐镇省城，以安军心。争来争去，最后决定温寿泉坐镇太原，阎锡山、赵戴文等率部北撤。同时对于娘子关失守的责任问题完全推到姚以价头上，认为他指挥不力，要按军法严惩。姚闻讯逃走，投奔老同学李烈钧去了。这一点阎锡山做的有些过分，反映出其内心狭隘的一面。后来姚以价回忆起这一段往事，对阎锡山的为人甚为鄙薄。言道：“（阎锡山）是个混饭吃的，要甚没甚，自己没本事，还怕别人比他强，我始终不佩服。”虽有些刻薄，但颇一针见血。
不过温寿泉在太原也未待上几天，清军大兵压境，他只得收容残部南下，希望到陕西与张凤翙会和。到达晋南后在陕西“秦陇复汉军”陈树藩、井勿幕等部的配合下占领运城，并成立了河东军政分府，基本上控制了这一地区。
1912年1月5日，卢永祥大军占领太原。
阎锡山、赵戴文等率一小部分人马微服离开太原北上，打算取道清军力量薄弱的晋西北静乐、宁武一带，直驱内蒙古绥远、包头。那时的归绥道属山西管辖，驻归绥的后路巡防队统领周维藩与同盟会员很接近，在太原起义后他也在兴和宣布起义，并占领了包头。而且河套一带相对比较富庶，如果能控制那里，不失为一个待机再起良好根据地。
此时，晋军北路军张瑜、张培梅正与忻代宁公团等部围攻大同。绥远周维藩也率部参战，很快将大同攻克。张瑜等得知太原失守，阎锡山出走，乃以续桐溪部守大同，他与张培梅率部南下与阎锡山会和。
阎锡山等行至五塞，同盟会员孔庚赶来相会。孔庚之前被阎锡山任命为塑方兴讨使，节制雁北民军。孔庚认为阎锡山放弃太原是一大失策，这样会严重动摇革命军的士气，并鼓励阎锡山通电全国声言北伐，以挽回名誉。但此时的阎锡山颇受打击，意志消沉，对革命前途几乎要丧失信心。他一度想把都督职位让给孔庚，孔庚坚决制止了。
行至大同，阎锡山化装成和尚，悄悄来到周维藩营中。将都督大印交给周，要他接任都督，并声称将要到五台山削发为僧。周维藩严词拒绝，并叫来孔庚等一同劝解、鼓励阎锡山。“都督晋人，且首义，我三人为革命同功一体，胡可计名位。大势所趋，革命必成。省垣虽失，无损大局。且我军自怀仁一战，士气振奋，关内外尚有万人，据险而守，足以距敌，若都督一去，示人以弱，则军心涣散，三晋之人何复恃？”周维藩这一席话掷地有声，入情入理，阎锡山深以为然。
于是众人仍拥戴阎锡山为都督。阎锡山也重新树立了信心，乃任命孔庚为前敌总司令兼第一师师长，周维藩为第二师师长，重整旗鼓。鉴于当时大同城外清军兵力雄厚，阎锡山决定率部暂时撤退至保德，徐图进取。不久张瑜、张培梅也率队赶到保德相会。
阎锡山收容各部人马，散兵，很快便达到3000余人，经过整顿，鼓动，逐渐恢复士气。于是开始向包头进发。1912年1月11日，全军抵达距包头15里的达茅庵村。清军欲借口和谈，行缓兵之计，幸好被阎锡山识破，乃下令攻城。12日，即攻克包头。清军虽然不断反攻。但是在随后的半个月里革命军又相继占领萨拉齐、托克托等地，绥远清军受到相当打击，再无力反攻了。
正在这个时候，南北基本停战，和谈也接近尾声，随后清帝退位，孙中山让出大总统职位给袁世凯，民国成立了。
山西护理巡抚李盛铎和咨议局副议长杜上化在阎锡山进入托克托的第二天，派人送函，请求停战，并要阎锡山回太原，主持省政。革命军正在为是否继续进攻清军而发生分歧，接到省城的书信阎锡山果断决定率部返回太原。1912年2月9日（农历辛亥年腊月二十二），阎锡山率山西革命军由托克托南下，向太原开进。经河曲、神池、宁武，2月18日到达忻州。
这天正是农历喏壬子年大年初一，忻州城内外鞭炮、锣鼓喧天，五色旗飘扬，盍城百姓都出来欢迎阎大都督。正当阎锡山兴高采烈，志得意满之际，袁世凯发来一封电报，要求阎锡山及全部山西民军原地待命，不准进入太原。第二天段祺瑞也来电，阻止革命军继续前进。这两封电报犹如冷水浇头。袁世凯用意很明显，他反对山西由革命党人当权执政。山西地处京畿肘腋，战略地位重要，袁世凯岂能让革命党人处在他的卧榻之侧？
在南北和谈的时候袁世凯就一直不认可山西为起义省份，所以才派北洋军进攻山西，并武装占领。南方总代表伍廷芳，以及驻南京的山西代表南桂馨据理力争，要求北洋军撤出山西。临时大总统孙中山先生也气愤的对山西代表表示：“虽有此议（不承认山西为起义省份），我们绝不承认，宁可议和决裂，不能不承认山、陕的革命同志。你们尽可放心。”
阎锡山呢？在此进退维谷之际曾向山西省议会发出一封辞职电，表示自己的高姿态，争取了议会的挽留。当然他的辞职也不是出于真心，现在的他已经不是离开太原时的心态了，这个都督一定要争！不仅是权利的问题，还涉及到名誉，功勋，以及为光复山西牺牲的烈士们争一口气。他一面同南京革命党方面保持联系，寻求帮助，一方面大展其交际能力，通过秘密渠道打通与袁世凯的关系。阎锡山请出了袁世凯的老友山西定襄人董崇仁，赴京面见袁世凯，解释误会，并表达拥戴之情。此外，阎锡山看准时机，在南北和谈讨论定都南京、北京的问题上，支持了袁世凯，表示建都“以北京为宜”，“以形式论，以事实论，以对内对外论，目前决无舍北就南之理。”阎锡山的政治态度，使袁世凯甚为高兴，放松了对他的警惕；同时孙中山也提出折中方案，以阎锡山为都督，以李盛铎为民政长，以换取袁世凯的认可；代表山西舆情的李盛铎、杜上化等人也发出通电，支持阎锡山为都督。他们很清楚，以山西目前的情形只有拥护阎锡山，才能保持省政的安定。
经过各方的一起努力，袁世凯终于承认了山西起义省份的地位，也同意阎锡山继续担任都督。随后驻太原的北洋军卢永祥部、武卫军王汝贤部相继撤离。
1912年4月4日，阎锡山回到太原，当天向全国发出通电，特意提到“今奉大总统命令，率军回省。”山西人民也如愿以偿，与其他省份相比的争权夺利相比，可以避免无谓的战火。