在孙中山领导的中华革命党以及以梁启超为核心的进步党不断发起反帝讨袁运动的同时，本来意存观望、态度暧昧的云南将军唐继尧也在广大中下级军官的敦促和梁启超、蔡锷的鼓动下决定反对复辟帝制，并派人至各省各地联络，积极整军备战。原云南都督蔡锷因在辛亥革命时领导云南起义而享有较高威望，1913年10月袁世凯将其调往北京，名为出任经界局督办，实则是为笼络、监视、控制之。筹安会成立后，本来对袁世凯“宏才伟略”抱有幻想的蔡锷终于认清了其真实面目，于是毅然决定反袁，随即赶往天津与其老师梁启超共商大计，返京后，蔡锷开始积极布置返滇计划。

为麻痹袁世凯，蔡锷装出对政治漠不关心的样子，终日流连于北京八大胡同，与名妓小凤仙厮混，等到袁世凯放松警惕的时候，蔡锷就从他眼皮底下悄然离开北京，从天津坐船秘密抵达日本，然后取道香港，经越南于1915年12月中旬返抵昆明，李烈钧等革命党人也于此前抵滇。紧接着，蔡锷等人商议决定，组建“护国军”武装讨袁，举唐继尧为都督，蔡锷、李烈钧分任第一、第二军总司令；1915年12月25日，云南正式宣布独立，护国军通电全国，对袁世凯开战，护国运动拉开序幕。

获悉云南独立后，袁世凯调遣北洋军将领马继增等进入湘西，打算经湘西入贵州，由东面进攻云南；另外还派曹锟、张敬尧等率军入川，在重庆集结，拟由北而南进攻云南；袁世凯本还打算由海路运北洋军到越南，然后沿滇越铁路抄袭昆明，但遭到了法国在越南殖民当局的拒绝，于是改为经广西攻云南，不料又遭到广西将军陆荣廷的反对，最后袁世凯令广东将军龙济光派粤军进入广西，胁迫陆荣廷共同攻滇。护国军方面，则是由蔡锷率军攻川、湘，李烈钧率兵攻粤、桂，唐继尧留守云南，居中策应。

1916年1月，护国军在四川与驻叙州袁军交火，几日后占领叙州，夺取了由滇入川的重要通道；随后，袁世凯调多路大军反扑，皆为护国军所挫败。2月，另一路入川作战的护国军强攻泸州未遂，退守纳溪，不断增加的袁军随后分兵两路向纳溪进攻，护国军付出极大牺牲勉强稳定了战局。不久，蔡锷赶到纳溪前线，指挥了多次对袁军的反攻，但均未能达到预期目的，护国军因连日激战，弹药消耗殆尽，官兵伤亡颇重，被迫于3月初后退，袁军则由于不适应南方气候及交通不便、供给吃力等原因没有追击。经过休整，蔡锷于3月中旬趁袁军军需补给尚未到位之际再次发动进攻，打败袁军，攻占数城，袁军死伤惨重，已无力再战。正在这时，袁世凯迫于国内外形势，宣布取消帝制，四川方面的袁军也提出议和，双方随即展开谈判。

护国战争之初，贵州方面本来有意参与讨袁，但因贵州兵力薄弱，又毗连湖南，一旦袁军由湘入黔，便难以抵御，所以一直隐忍不发。后来，滇军先遣纵队抵达贵阳，增强了贵州的军事力量，贵州遂于1916年1月27日宣布独立。接着，黔军出师进攻綦江，意图威胁川省门户重庆。袁军见黔军主力来攻，便主动出击迎敌，黔军接战不力，遭袁军侧后包抄，被迫后退，袁军追击，双方展开拉锯战。这时，黔军因连日激战，伤亡严重，且战线过长，兵力过单，已经逐渐不支，袁军反倒是不断有后续部队增援，最后，护国军只得撤退，放弃了攻取綦江、进取重庆的作战计划。

另外，黔军还于1916年2月发动了对湘西的进攻。护国军接连作战，所向披靡，连下数城，令袁世凯大为惊恐，急忙调兵遣将进行反攻，护国军寡不敌众，且战且退，一直坚持到双方停战。

1916年2月，李烈钧率兵由昆明出滇南，趋广西，东征粤浙。早在这年1月时，按照袁世凯“由桂攻滇”的计划，广东将军龙济光之兄龙觐光奉命进军南宁，胁迫广西将军陆荣廷攻打云南，陆荣廷假装答应，并派出军队与龙觐光一起向云南挺进。2月，龙觐光部与李烈钧部展开激战，互有胜负，形成僵持。3月15日，与袁世凯素有矛盾且政治上倾向进步党的广西将军陆荣廷宣布广西独立，护国军士气大振，发动反攻，打败袁军。

在袁世凯谋划称帝期间，本来对此持支持态度的日、英等国在看到中国各派政治力量的强烈反对后，都很担心中国发生内乱，危及其在华利益，于是一改初衷，转而反对，警告袁世凯“若骤立帝制，将立起变乱，望暂缓改变国体”，后见袁世凯执迷不悟，便又宣布“以后对于中国决定执监视之态度”。此时，袁世凯才感到事态严重，于是以向日本天皇贺礼赠勋为名，派特使赴日，准备不惜出卖国家主权，换取日本的支持，不料日本政府认为袁世凯已尽失民心，若再支持于己不利，断然拒绝特使赴日，且责备袁世凯“断行帝制，无视友邦劝告”，宣布日本政府不承认其称帝。与此同时，各国公使还宣布：今后凡有“洪宪”年号的外交文书，一概拒绝接受。外交上接二连三的挫折以及西南诸省的纷纷起事，迫使袁世凯改变原定于1916年元旦或春节登极的计划，并在2月23日宣布延缓登极。

袁世凯复辟帝制也导致了北洋军阀内部的分裂。早在1915年，袁世凯心腹爱将段祺瑞、冯国璋、徐世昌等就纷纷离袁自保：陆军总长段祺瑞称病退居北京西山，不问政事；江苏将军冯国璋对复辟帝制持敷衍态度，并与反袁势力暗通声气，且于12月以得病为由拒绝出任参谋总长；国务卿徐世昌对复辟帝制既不阻止，也不赞成，并于10月辞职离京。这些人反对帝制的一个重要原因是，帝制一成，他们就失去了继任总统的可能性。

云南独立后，冯国璋与反袁势力暗中联络，后又联合江西将军李纯、山东将军靳云鹏、浙江将军朱瑞等致电袁世凯，要求取消帝制；段祺瑞也乘机倡议另组新政府，维护共和。内外交困、众叛亲离的袁世凯走投无路，被迫于1916年3月22日宣布取消帝制，并于次日宣布废除“洪宪”年号，恢复“中华民国”纪年，重新任命徐世昌为国务卿，段祺瑞为参谋总长，他的皇帝梦只做了83天便破灭了。

帝制取消以后，袁世凯仍想继续做大总统，但是护国军方面却坚持要求他下台，由黎元洪继任。4月6日，广东将军龙济光迫于来自桂滇的军事压力宣布广东独立；12日，浙江宣布独立；16日，冯国璋致电袁世凯，劝其退位，不少军政大员也纷纷附和；5月8日，南方独立各省在广东肇庆成立军务院，遥戴黎元洪为总统，建立了一个与袁政府相对峙的临时政府，逼迫袁世凯交权，并积极准备北伐；5月9日，陕西宣布独立。

本来就患有尿毒症的袁世凯在此种情况下悲愤交集，至5月16日后，病情日重。5月22日，四川宣布独立；27日，湖南宣布独立；这两省的将军均为袁世凯心腹，他们的倒戈让袁世凯感到回天乏术。6月6日，在全国民众的一片唾骂声中，袁世凯毙命，护国运动宣告结束。

6月7日，黎元洪继任为大总统，各省遂宣布取消独立。6月29日，黎元洪恢复《临时约法》，重开国会，重建国务院，并任命段祺瑞为国务总理。至此，由袁世凯称帝所引发的政治风波才算平息。