兼任中路巡防营统领，统率15个营的兵力。
1912年（民国元年），清廷授其为关外练兵大臣，以总兵记名，后任为第24镇统制（师长），并兼奉天巡防营总办，从此掌握了奉天省的军政大权。
袁世凯任临时大总统后，改巡防营为陆军，任命其为民国陆军第二十七师师长，中将军衔，授勋5位。
1913年（民国2年），袁世凯在北京召见张作霖，向他暗示升官有望。
1914年（民国3年），张锡銮任奉天将军，授镇安上将军，节制东三省，张作霖觊觎其位。
1915年（民国4年），张作霖两次秘密派人入京，试图运作继任奉天将军。
结果张锡銮被调走后，袁世凯任命他的心腹段芝贵为奉天巡按使、镇武上将军，节制东三省，张作霖的希望落空；
同年，被袁世凯召入京，张作霖表示支持袁世凯“速正大位”。袁世凯称帝后，张作霖受封二等子爵。
1916年（民国5年），张作霖驱逐段芝贵，并大造“奉人治奉”的舆论。
随后，袁世凯任命其为盛武将军督理奉天军务兼奉天巡按使；同年，袁世凯帝制失败病死后，黎元洪继任大总统，改任张作霖为奉天督军兼省长。
日本人阴谋暗杀张作霖，未遂。
1917年（民国6年），因奉天巡防营二十八师师长冯德麟参与张勋复辟，张作霖夺其第二十八师兵权，统一奉天省军政；同年，兼并黑龙江省，并保举他的儿女亲家鲍贵卿任黑龙江督军兼省长。
1918年（民国7年），于秦皇岛夺取直系购买的日本军械扩充奉军。随后入关支持皖系“武力统一”；
7月，张作霖被总统徐世昌任为东三省巡阅使。
7月，张作霖为控制东北三省，开始了驱逐吉林督军孟恩远的行动，造成了奉吉两省军队的尖锐对峙。
7月19日，驻守长春满铁附属地的日军制造宽城子事件，孟恩远被迫下野。
张作霖任命亲信部下孙烈臣为黑龙江省督军，鲍贵卿调任吉林省督军，他由此正式成为“东北王”。
督师进关
1920年（民国9年），在直皖战争中助直反皖，张作霖借祝寿的名义，在奉天召开八省联盟会议，组成反皖联盟。
1921年（民国10年）5月30日，北洋政府任其兼任蒙疆经略使，辖有热河、察哈尔、绥远三特区；12月，张作霖进京组织梁士诒内阁。
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