辛亥革命爆发之后,伍廷芳革新的思想终于有了表达的机会,他上书要求清帝退位,旗帜鲜明地拥护共和。1911年宋教仁、陈其美等人商量在上海起义,成立“沪军都督府”。考虑外交总长人选时,踌躇良久,有人提出伍廷芳,大家一致同意,于是派伍廷芳的老朋友李平书前去。伍廷芳显得迟疑,自称年老力衰,难以再任,被李苦苦相劝,才勉强答应。毕竟是个外交老将,他上任后立即照会各国领事,加派警力保护租界,告知各国在中国内部的斗争中应严守中立,还发电要外国政府承认中华民国。1912年,孙中山担任临时大总统,伍廷芳被任命为政府临时司法总长。他高举以法治国的大旗制订颁布一系列的法令法规。
在南北议和中,孙中山处于劣势,只好退让,而伍廷芳也辞职回“观渡庐”著书立说,写出《延寿新法》、《中华民国图治刍议》、《美国观察记》等。时任总统府顾问的有日本人贺长雄与美国人古德诺,他们发表文章,为袁世凯上台造舆论。伍廷芳洞悉这一阴谋,发表演说:“北京现有的政府,只算得上是戏场,那些大大小小的官僚只算得上是戏子。我们看戏则可,若听了戏子的话当真就不可……问问过路的行人,有哪一个是喜欢人家做皇帝的。我们要努力坚持,不管他是洪宪,还是宪洪,只晓得今年是民国五年,明年是民国六年,维持这个年号以至万年,万万年!”虽然袁世凯还是当了“皇帝”,但在全国声讨中,很快命归九泉。1917年张勋率领辫子军北上,逼迫总统黎元洪解散国会,伍廷芳知道,张勋其实是想取消共和制。所以黎元洪让他解散国会,他是万万不能同意的。新任国务总理江朝宗带领士兵包围伍廷芳的住所,让他交出总理印信,伍廷芳坚决不交,士兵们高声呼喊所要印信,直至深夜。伍廷芳无法休息,一怒之下把印信从楼上扔下,让他们回去交差。次日向黎元洪递交辞职信,回山海关去了。没料到在山海关听到张勋复辟的消息,便决心与北洋政府决裂,到南方去寻找新的出路,再次与孙中山会合了。