1912年1月1日民国成立，28日张锡銮电请清政府拥护共和。2月1日被清政府任命会办奉天防务，4日改任东三省边务大臣，有乘机取代总督赵尔巽的意图。2月9日张锡銮奏请清廷速降明谕，宣布共和，12日清帝下诏退位，3月10日袁世凯就任临时大总统。3月15日东三省顺从共和，袁世凯令改“直隶总督”为“直隶都督”，以张锡銮署理直隶都督，他通电全国，称废省改道有三大利，请求“先从直省实行，为天下倡”，其“废省改道”的主张未能实行。8月23日孙中山乘船抵达天津，晚8时，直隶都督张锡銮在顺德饭店宴请孙中山，24日清晨，孙中山乘车由利顺德饭店出发，到达直隶都督府，访问直督张锡銮。

　　9月8日，张锡銮改任东三省西边宣抚使，指挥东三省剿抚乌泰叛乱的军事力量，对以乌泰为首的各旗叛军采取“剿抚”的策略。9月8日收复了嘎喜喇嘛庙，11日攻克瓦房，12日占领葛根庙，13日攻克乌泰王府，15日又攻占了乌泰之弟齐默尔特府邸，18日最后攻占乌泰军盘踞的镇国公旗，至此平叛战斗基本结束。10月10日北京政府给予张锡銮二等嘉禾章。10月28日，吉林都督陈昭常、东三省宣抚使张锡銮与东蒙十旗会议于长春，会议通电指出，对于“共和政体，极意赞同”，议决中央可在东蒙边塞要隘驻军、蒙古王公不得将财产私售或抵押外国人、向外国借债需先得中央允准、中央颁布特别优待蒙人条件、东蒙十旗一律改悬五色旗等十项决议，31日会议结束。11月3日奉天都督赵尔巽辞免，由东三省西边宣抚使张锡銮署理。11月16日实任奉天都督，并加陆军上将衔，22日统内蒙全军。12月18日张锡銮被派为奉天西边宣抚使。

　　1913年2月4日，奉天都督张锡銮电请袁世凯提倡中日联盟。2月8日，奉天都督兼民政长张锡銮函告吉林、黑龙江两省民政长，裁撤东北三省屯垦总局所属吉、江两省分局，吉、江两省屯垦统归奉天总局兼办。2月26日，全国陆军拟定分为八区，而东三省并为一军区，由奉天都督张锡銮统辖三省军务。5月15日，袁世凯宣布撤销黄兴之陆军上将，冯国璋、张锡銮、阎锡山、周自齐、张镇芳、张凤翙等复联名通电毁诋黄兴。6月13日，袁世凯令张锡銮以奉天都督兼署吉林都督，7月31日，北洋政府令“吉省军政例行文件以兼督名义委由护军使孟恩远代行，重要事情仍由兼都张锡銮办理”。8月18日，库伦蒙军千余名进犯辽源(今吉林双辽)，奉天都督张锡銮派步兵统领吴俊升率部迎战，蒙军被歼四十余名，余均逃窜。10月10日授以勋二位，13日卸兼奉天民政长。

　　1914年1月4日张锡銮调离吉林，再兼奉天民政长。6月3日卸吉林都督职。6月30日袁世凯裁撤各省都督，于北京建将军府，并设将军诸名号，分驻各省督理军务，任张锡銮为“镇安上将军”，督理奉天军务，兼节制吉林、黑龙江两省军务，成为东北首领，但张作霖对张锡銮表面逢迎，暗地排挤。9月27日卸兼奉天民政长，10月8日给予一等嘉禾章。

　　1915年3月18日，奉天镇安上将军张锡銮电告北京政府，日军三百名开入奉天城，另有一千五百名驻扎于南满铁路沿线。3月20日日本人在长春插旗招募义勇军，准备赴欧参战，引起中国政府惊慌，害怕华人应招，影响中国的“中立”态度，一面商求日领事停止招募，一面“密禁华人应召”。6月24日北洋政府授张锡銮为陆军上将。因受到张作霖竭力排挤，不得已多次以“老病之身不胜重任”向北京政府提出辞呈。8月22日调任“彰武上将军”、督理湖北军务，因驻鄂第二师师长王占元不表欢迎，未能赴任，滞留北京。12月12日袁世凯阴谋帝制，21日册封张锡銮为“一等伯”，22日袁世凯令，“彰武上将军督理湖北军务张锡銮着开缺，留京当差”，改授将军府“振威上将军”，兼参政院参政，月俸千金，但与袁世凯日渐疏远。