武昌起义爆发后,刘冠三等同盟会的革命党人秘密筹划组织山东独立,然而山东独立仅11天便被迫取消,革命力量损失极大,刘冠三挺身而出主持山东局面,被大家推举为山东临时大都督,策划组织武装斗争。组成齐鲁北伐敢死队南下参战推动山东革命。袁世凯通电赞成共和,齐鲁北伐敢死队两次改编,但这支武装未能保存,被陈干解散。
积极推动山东独立　策划武装夺取政权
　　1911年春天,刘冠三到北京后,发现本该在促进民主中有所动作的资政院,实际已成为维护专制统治的政治装饰工具,自己在其中很难有所作为。此时,他又因劳成疾,到山左会馆养病,秋天才逐渐康复。山东同盟会安排吕子人前去探望,刘冠三决定随吕子人返回山东,继续从事革命活动。
　　一回到济南,刘冠三就立即邀请刘溥霖、萧兰池、蔡自声、孙钟廉、吕子人等人,秘密商量组织山东同盟会机关,统一指挥全省的革命行动。此前,刘溥霖在济南商埠鹊华桥东路北开设了一家以修理钟表和照相为业的“宜春轩”店铺,以此做掩护从事革命活动。刘冠三指示他们将店铺移往五里沟,并进一步扩大门面,以利于同外界加强联系。接着,刘冠三同徐镜心等在济南创立了戏曲改良社,作为开展革命的机关,加紧迎接革命高潮的到来。
　　10月10日,武昌起义爆发,刘冠三与徐镜心、丁惟汾等借游览大明湖之名,在历下亭紧急磋商,拟订山东独立计划,决定召集各界人士成立山东全省各界联合会,推动独立。11月13日,他们召开山东独立大会,推举山东巡抚孙宝琦为总督,通电全国,宣布山东独立。
　　但刘冠三对孙宝琦的被迫独立有着清醒的认识。独立大会一结束,刘冠三就离开济南,赶赴青岛,联合蔡自声、王林肯等同盟会员巩固壮大革命势力,策划武装夺取地方政权。在此期间,刘冠三“劝捐购械,日夜奔走,饮食俱废”。
　　而山东独立仅11天,袁世凯便派张广建、吴炳湘到济南胁迫孙宝琦宣布取消独立,捕杀革命党人,革命力量损失极大。
临危担任临时大都督,成立青岛机关部
　　在革命夭折的危急关头,早有准备的刘冠三挺身而出,担当起领导山东革命的重任。11月30日,山东同盟会另一领导人徐镜心在上海召开旅沪学界山东同乡会,通过7项决议,其中第7项为:“电青岛刘冠三合力西征”。12月4日,徐镜心到达青岛与刘冠三会晤,得知刘冠三已经与负责烟台独立的王传炯联系过了,可王传炯却要取消(烟台)独立,形势非常险恶。果然,徐镜心到烟台不久,就被王传炯逼到大连去了,只剩刘冠三在青岛独力支撑山东的革命局面。
　　12月,在武装斗争的准备稍有头绪后,刘冠三亲自赴沪拜谒孙中山,寻求对策。回鲁后,刘冠三继续发动革命,先派张金寿去青岛募捐购买枪械,接着率领部分骨干潜往青岛,后来全省各地同志也闻讯前往,组建了中国同盟会青岛机关部,实际上是山东同盟会的真正领导机关。刘冠三成为当时山东同盟会实际上的领导人,被推举为山东临时大都督。因为此前震旦公学事件的影响,德国胶澳当局仇视革命党人,想把他们驱逐出青岛。幸亏革命党人魏金亭在德国巡捕局任职,从中做了大量工作,才使革命党人得以留在青岛。期间,青岛成为山东辛亥革命的重要据点。刘冠三组织革命党人筹资购械,选精储锐,纠集千余人,周密策划组织斗争。
武装起义打击清政府,敢死队威慑山东
　　刘冠三等人认真分析了山东的斗争形势,坚定地选择了武装起义的道路,制定了集中力量攻其一点的策略,计划兵分三路,先在青州、高密、即墨沿线起义,然后会师诸城,以当时依山傍海的诸城作为革命根据地,再图西进,与已在济南、并从青岛运去武器的刘溥霖会师。除在青岛秘密设立指挥机关外,他又在沿胶济铁路大站秘密设立分支机关,承担通讯联络、运输接应武器等工作。刘冠三安排刘殿华、王长庆等人由青岛分赴临淄、寿光、临朐、博山、益都、乐安(今广饶)等各地,准备反清起义。
　　刘冠三坐镇青岛,指挥三路革命军,一举攻下即墨、高密、诸城三个县城,赶跑旧县官,成立革命政权,开仓平粜,救济百姓,一时大快人心。其中,即墨独立的消息传到南京临时政府,受到嘉奖。上海《申报》和南京、青岛诸报刊也纷纷报道了即墨革命党人起义光复的消息。
　　虽然这些独立斗争先后失败了,但都给垂危的清政府以沉重打击,振奋了革命党人的斗志。同时,这些斗争与仓促而发的山东独立相比,方向对头,策略得当,经过失败的教训,同盟会青岛机关部的精心策划是成功的。在刘冠三的领导下,山东革命党人在斗争中不断成长着。
　　与此同时,刘冠三感到革命军寡不敌众,难以取胜,便在青岛征召山东独立失败后从济南前来避难的齐鲁志士,派陈干和吕子人带领他们组成齐鲁北伐敢死队由海路至上海,南下参战,以便内外呼应,推动山东革命。刘冠三谒见孙中山途经台儿庄时,会见了尤民,有意对他重点培养,充分发挥他的军事才干。尤民在台儿庄设立了同盟会的革命机关部,并亲自到驻清江清军第十三协策应兵变,同时与沂州各股绿林豪杰和长江南北的青帮加强联系,建立了一支5000人的革命队伍,根据刘冠三的指令加入齐鲁北伐敢死队。
　　由于刘冠三安排同盟会员陆续加入和壮大齐鲁北伐敢死队,并源源不断地募集提供军费,陈干带领北伐将士大战淮泗,于1912年2月16日直捣徐州,威慑山东,震撼京津,对辛亥革命整个局势的发展产生了重要的影响。北伐军在苏北、鲁西南一带的军事行动,与胶东风起云涌的独立斗争相呼应,对苟延残喘的山东清王朝势力形成夹攻的态势。
　　2月13日,袁世凯通电赞成共和,南京临时政府下达了北伐军停止前进的命令,齐鲁北伐敢死队改为淮泗讨虏军。省内革命力量薄弱,省外这支武装就更为珍贵。为加强领导,保存革命力量,刘冠三急忙从青岛赶赴徐州,于3月20日与陈干将淮泗讨虏军改编为陆军第三十九混成旅,陈干任旅长、尤民任总教练,其团、营、连级军官多由山左公学、震旦公学学生和刘冠三亲自介绍入会的同盟会员担任,把徐州建成了革命基地,在云龙山每日操练,严密坚守。
　　随后,同盟会得以公开活动,刘冠三到济南协助徐镜心领导山东革命工作。陈干还曾作诗《寄刘冠三》道:
　　“雨后山村静,秋高木叶稀。深情天上月,莫照故人衣。”
　　但是,刘冠三走后,陈干竟然挤走尤民,独自上书袁世凯,辞去旅长之职,解散三十九旅。由此,山东革命痛失这支威震一时的武装。