1914年,袁世凯下令解散国会,刘冠三回山东参加反袁斗争,为了躲避北洋军阀对革命党人的迫害,刘冠三被迫前往西安。1916年,刘冠三回山东领导反袁斗争。国会恢复,刘冠三再次担任国会议员,却未能阻止孙中山命令中华革命军东北军和山东护国军接受北洋政府改编,两支民军因此难逃被北洋军阀遣散、消灭的命运。
离京赴陕躲避追捕,使三原变成革命中心
　　1914年1月10日,袁世凯下令解散国会,与革命彻底决裂,刘冠三毅然回山东参加反袁斗争,不料被袁世凯的部下侦知,1月28日,刘冠三被捕。上海《大同报》等报刊纷纷报道了此消息。刘冠三经商震、侯延爽等人全力营救,才得以出狱,在陆建章家中避难,而急于寻找出路的商震也于此前暂避于陆的麾下。
　　3月15日,老战友徐镜心也被袁世凯下令逮捕。刘冠三与丁惟汾等人奔走各方,竭力营救未能奏效,徐镜心终被杀害。刘冠三一面处理后事,一面继续担起领导山东革命的重任,坚持反袁斗争。
　　8月,陆建章被袁世凯派往陕西镇压白朗起义,后任督军。陆建章要求刘冠三随他到西安,条件是不准宣传革命。刘冠三考虑到在北京已无法开展革命活动,就同意去西安,但不做官,只做寓公。陆建章还是怕他惹出麻烦,就派人监视。途经华山时,刘冠三感慨颇多,写下了“来秦为避秦”的诗句。前一个“秦”字,指秦地陕西；后一个“秦”字,指北洋军阀尤其是袁世凯对革命党人的追捕与迫害。一到西安,他就与景定成、胡景翼等取得联系,秘密策划反袁斗争。
　　为打消陆建章的怀疑,刘冠三将母亲、妻子、子女等眷属搬到陕西三原县居住。一时间,三原成为陕西和周边各省革命党人的活动中心。山西著名革命党人续西峰迅速前来投靠；单懋统、张轸等人因被袁世凯的爪牙追捕,也慕名远道投奔。
领导鲁陕护国运动,回诸城调解支队改编
　　1915年8月,薄子明、尤民、邓天乙等组织了100多人的革命队伍,从青岛乘船向日照进发,发动反袁斗争。途中,他们被10倍于己的袁军包围,薄子明负伤突围,返回青岛时被日军逮捕。远在陕西的刘冠三得到消息,一方面吁请孙中山从中疏通,另一方面通过其它渠道营救,薄子明终于获释。
　　1916年初,陕西反袁的事情泄露,大批革命党人被杀害。此前,刘冠三称病在家,加上处理妻子去世的事务,才得以避过这场灾难。
　　袁世凯篡国的阴谋败露以后,全国人民群起而攻之,刘冠三与陕西革命党人更是紧锣密鼓地开展反袁倒陆(建章)活动。1916年3月,陕西的革命党人抓了陆建章的儿子陆承武作人质,逼迫陆建章下台。陆建章见大势已去,就凭旧交情请刘冠三调解。此时,陆建章手中仍掌握着大量精锐部队,如果他孤注一掷,疯狂反扑,陕西的革命党人和人民群众将遭受不可估量的损失。刘冠三反复权衡后进行调解,陆建章与革命党人实现和解,陆建章辞职离陕,陕西以较小的代价取得反袁胜利。
　　与此同时,山东革命党人吴大洲、薄子明、吕子人等发动了反袁起义,他们派人迎接刘冠三回到山东领导这场斗争,吴大洲、薄子明领导的山东护国军还聘请刘冠三等人为顾问。1916年5月,刘冠三在高密通电反袁。当时,中华革命军东北军总司令居正将部队改编为两个师,把在高密的第三支队和在诸城的第二支队改编为第二师,师长为吕子人,师部驻高密。第二支队支队长马海龙离职出走,队伍散乱,纪律废弛。吕子人奉命前去诸城点验部队,结果遭到不少军官和士兵的责难与反对,第二支队官兵包围了吕子人在诸城的住所。吕子人所带部队尚留在诸城城外,无法及时进城,他身边仅有少数几名陪同人员。此时,本是兄弟部队的二、三支队之间也面临着内讧、火并的危险。刘冠三听说后立即赶到诸城,从中调解。第二支队官兵一向非常敬重刘冠三,于是接受了吕子人的改编。
多方努力未奏效　山东民军被改编
　　反袁斗争胜利后,1916年8月,国会恢复,刘冠三再次担任国会议员。此前,孙中山就已经命令在山东的中华革命军东北军和山东护国军停止军事行动,与北洋政府谈判,接受改编。
　　刘冠三参与领导了山东的护国运动,既对这两支民军感情深厚,又有着多年的实际斗争经验,他认为孙中山的做法极不可取,特别是三十九混成旅解散的惨痛教训就在眼前。于是,刘冠三给孙中山写信,建议保留这两支部队,进行整训,以作为革命斗争的有力工具。但是,孙中山没有采纳他的建议,并于当年8月29日在上海《民国日报》公开刊登了给刘冠三的复信,信中说:“8月12日来书论鲁事,并为民军方面规划久远,用意良深。顾文以为,袁氏奄逝,首恶已除,佳兵殃民,于义无取。前已通告,所属各军停止进行,静候中央解决。今者约法、国会次第规复,破坏既终,建设方始,典兵者要当以大局为念,急图收束、解散,以轻担负而安地方。其有逾此宗旨范围者,文实不敢赞同。来函未署住址,无从投复,谨登报作答,惟亮察焉。”
　　刘冠三无奈,只得含泪劝吴大洲、薄子明、吕子人等人接受改编。
　　因为刘冠三在国民党内是老资格,又与各部民军的首脑人物熟悉,丁惟汾建议将中华革命军东北军和山东护国军合并,另立名号,以刘冠三为首领,充实力量。各部民军都积极响应。于是,刘冠三就请陈雪南、王谢忱等人赴周村、潍县、高密等地,商洽两军合并事宜。
　　不料,当刘冠三与尤超凡、赵得胜等赴济南准备详细洽谈时,山东护国军司令薄子明在周村突然将赵所属的“五大团”缴械击散。赵得胜闻变,急回周村,在车站被薄子明打死,这更引起了内部的混乱。各部互相猜疑,更难统一。刘冠三为避嫌只得远赴北京。各部民军先统一、后改编的计划,因此失败。
　　为使民军不落于担任国务总理的北洋军阀段祺瑞之手,刘冠三又借民军改编代表的身份,联合各方力量挤走前来改编的北洋政府山东军务会办、陆军中将、段祺瑞“四大金刚”之一的曲同丰,改由山东督军张怀芝改编民军,以防止曲同丰由改编民军进而担任山东督军,从而危害山东人民。1917年1月28日,段祺瑞以咨询军事善后事宜为名,将原山东护国军都督吴大洲骗到北京,吴大洲刚一入京就被逮捕入狱。段祺瑞等人欲判吴大洲死刑,后经刘冠三联合革命党人竭力营救,才改判无期徒刑。因当局必欲置吴大洲于死地,刘冠三此后的多次积极营救都无效,1918年11月12日,身体极度虚弱的吴大洲病逝狱中。
　　虽经刘冠三多方努力,但这两支在护国战争中立下赫赫战功的民军被改编后,最终仍然没有摆脱被北洋军阀遣散、消灭的命运。