刘冠三一路追随孙中山,陪同国父在山东视察。他虽然只担任中国同盟会山东分会副会长和国民党山东支部理事,但实际主持会务和党务。刘冠三一直没有放弃与袁世凯政府进行斗争。一方面以众议院议员的身份在国会进行合法斗争,一方面联络结交袁世凯的爪牙,借以掩护自己,关键时刻营救革命同志。
任山东分会副会长,革命虽成志不能行
　　刘冠三追随孙中山,与袁世凯打交道,从1912年就开始了。1912年初,刘冠三正在南京向孙中山请教革命策略,听说刘溥霖、萧兰池等3名革命党人被袁世凯政府山东当局关押,就发电报给袁世凯要求释放他们。袁世凯为攫取大总统一职,向革命党人示好,电令山东巡抚胡建枢将3人全部释放。
　　3月3日,面对山东存在济南、烟台两个省级政府,东西对峙的恶性局面,刘冠三致电在南京的山东籍临时参议院议员彭占元、刘星楠,通报山东形势,要求他们运动南京国民政府,出面解决问题。
　　同日,刘冠三被中国同盟会本部任命为评议部议员。4月14日,中国同盟会山东分会成立,徐镜心被推举为会长,刘冠三为副会长。4月19日,由同盟会员王朝俊等发起,山东临时省议会成立,议长张映竹,副议长刘冠三、王讷。5月3日,袁世凯派亲信周自齐任山东都督,大肆排斥革命党人。周自齐为清除异己,任命刘冠三为没有权力的山东留日学生监督。刘冠三“已知志不能行”,非常愤慨,加上此时目睹辛亥革命后革命党组织混乱,党人生活堕落,他极为寒心,一度离开济南城区,称病避居于济南南郊开元寺。
　　8月12日,同盟会改组为国民党,国民党山东支部成立。
陪同国父山东视察,孙中山高密留训言
　　9月,辞去临时大总统职务后的孙中山来山东视察,徐镜心、刘冠三和蒋洗凡一路陪同。
　　青岛人民热切盼望孙中山去青岛视察,并为此与胶澳当局进行了不懈斗争。在刘冠三等人的努力下,孙中山接受了邀请,于9月28日踏上了去青岛的列车。东去途中,刘冠三与孙中山谈话时,突遇两名德国记者来晋见孙中山。刘冠三打算站起来迎接,孙中山掣其衣襟,暗示他不必起立。德国人告退时,刘冠三又要站起来送别,被孙中山使眼色止住。德国人下车后,孙中山对刘冠三说:“帝国主义者是缺乏理性的,你越对他恭敬,他越看不起你。”经此一事,刘冠三追随孙中山革命的决心也更加坚定了。
　　途经高密时,刘冠三提议孙中山下车视察,并停留了半个多小时。孙中山接见了高密同盟会组织的迎送人员,让秘书宋蔼龄取出一张全身照片,题上“高密同盟会留念,孙文赠”,赠给高密同盟会负责人侯芝庭。在车上,当刘冠三向孙中山介绍了侯芝庭的姓名和职业等情况之后,孙中山与之热情交谈,并留下了“要立志做大事,不要做大官”的训言。
　　9月28日下午6时,孙中山一行抵达青岛火车站,受到了青岛人民的热烈欢迎。青岛特别高等学堂的学生们想请孙中山演讲,学校不同意,学生为此集体罢课,一时形成僵局。29日,德国胶澳总督亲自请孙中山做学生的工作。孙中山答应后,安排刘冠三于次日前去安抚学生。刘冠三慷慨陈辞,劝学生们爱国以学业为先,以至痛哭流涕,之后大力劝说孙中山到学校作演讲。
　　9月30日下午3时,孙中山的演讲终于成行,他号召学生们用极大的勤奋、热情和忘我的精神投入学习,以便完成学业之后能走向社会,以其所学的知识为人民大众谋幸福,要创造一个幸福的中国。
　　刘冠三虽然只担任中国同盟会山东分会副会长并任国民党山东支部的理事之一,但是实际一直主持会务和党务。1912年,刘冠三与峄县革命党人张文源取得联系,帮他建立了中国同盟会峄县分会部。同年10月,张文源与李麟阁赴济南向刘冠三汇报工作,准备进一步扩大组织。不料,张、李二人返乡途经兖州被军阀所扣,未来得及营救,即遭杀害。
　　当年秋天,刘冠三无奈之下,满怀复杂的心情,乘船赴日本就任山东留日学生监督。
　　到冬天时,刘冠三以其资历和贡献,被选举为第一届国会众议院议员。此时,陆军第三十九混成旅解散,曾在该部任团长的吕子人回到山东,生活无着。刘冠三联合革命党人王鸿一凑了2500元钱,让吕子人开了一家小型织袜厂,解决了其生活问题。刘冠三对其他革命同志同样关心和爱护,这也是为什么只要他振臂一呼,就会有千万人应声云集、慷慨赴死的主要原因。
一面坚持合法斗争　一面暗中营救同志
　　1913年春天,刘冠三卸去山东留日学生监督之职,从日本回国,转道大连,偕徐镜心到北京出席国会。在北京,刘冠三联合丁惟汾、徐镜心等山东国民党议员,在国会中共同向袁世凯展开了激烈的斗争。在京期间,刘冠三与徐镜心曾走访时任中华民国临时大总统的袁世凯,劝他以国民为主人,以总统为仆人,以主人的意志为意志。袁世凯试图以重金收买他们,但他们都不为利禄所动。刘冠三还同丁惟汾一起监督其他议员,防止他们被袁世凯的高官厚禄所诱惑变质。
　　刘冠三还对国会开会时参会的议员和记者较少表示不满。他在国会会议上,公开批评某些议员对总统府和国务院请客纷纷前往、踊跃异常,却对为国为民议政的大事不关心。
　　刘冠三一方面以众议院议员的身份在国会进行合法斗争,一方面联络结交袁世凯的爪牙(如疯狂残杀进步人士、以“陆屠户”之名著称的总统府警卫军统领兼北京军政执法处处长陆建章等),以此作掩护。他曾以国会议员的特殊身份多次营救革命同志,但决不因有求于人而放弃自己的革命立场。
　　1913年9月,为积蓄反袁力量,挽救民国,刘冠三与老同盟会成员于明信、王讷、王祝晨、鞠思敏、高彭年、蒋洗凡等人商定创办“济南私立正谊中学”,为国家培养了季羡林、王幼平、孙思白、王统照等大批人才。
　　当时北京的形势日渐恶化,国会内的国民党议员多数已离开北京避难,刘冠三继续留在北京坚持反袁斗争。刘溥霖、赵华叔等人为躲避袁世凯在山东代理人的追捕,藏到刘冠三在北京的寓所里。
　　不久,时任陆军部“高级顾问”虚职赋闲在京的国民党人商震,因参与“二次革命”不幸被袁世凯逮捕,并被决定处决。刘冠三大义凛然,一方面声称被捕的商震不是真商震,而是他的儿子,是当局抓错了人；另一方面又将自己的独子刘耀东送进监狱,换出商震,并帮助商震逃走。待确认商震安全以后,刘冠三又设法救出刘耀东。
　　商震的事情刚解决,刘冠三就被陆建章传讯,说是:“总统(袁世凯)交下公事,说山东案与刘冠三有关。”所谓“山东案”,是指山东督军靳云鹏给袁世凯打的电报:“在烟台捕获乱党,查出有邓天乙给刘冠三的信件。”为此,刘冠三被袁世凯当局拘留了2天。事后,刘冠三非常气愤地说:“世界上有公理,冠三当不死!”