1917年5月下旬，当黎、段因解散国会问题争执不下时，段祺瑞策划武力推翻黎元洪并解散国会，黎元洪得到消息，先下令免去段祺瑞的国务院总理。张勋乘机提出“非复辟不可”的主张，于6月7日率“辫军”北上。黎元洪被迫下令解散国会。14日张勋到达北京。
经过一阵紧张的策划，张勋于1917年6月30日潜入清宫，决定当晚发动复辟。
1917年7月1日凌晨1时，张勋穿上蓝纱袍、黄马褂，戴上红顶花瓴，率领刘廷琛、康有为、陈毅、沈曾植、王士珍、江朝宗及几位辫子军统领共50余人，乘车进宫。
3时许，废帝溥仪在养心殿召见张勋。张率领诸人，溥仪行三拜九叩礼。同日，溥仪发布“即位诏”，称“共和解体，补救已穷”，宣告亲临朝政，收回大权。他公布9项施政方针，一连下了8道“上谕”，大举封官授爵，恢复清朝旧制。参加复辟的重要分子，均被授以尚书、阁丞、侍郎等要职，康有为任弼德院副院长，张勋为议政大臣兼直隶总督、北洋大臣，并被封为忠勇亲王。张勋还通电各省，宣布已“奏请皇上复辟”，要求各省应即“遵用正朔，悬挂龙旗”，史称“张勋复辟”。
12日为皖系军阀段祺瑞的“讨逆军”所击败，逃入荷兰使馆，溥仪退位，被通缉，继逃到天津德租界地区。
1918年3月，北洋政府以“时事多艰，人才难得”为由，对洪宪衲首和辫帅复辟案犯均一律实行特赦。获自由后一直蛰居津门德租界6号（今河西区浦口道6号）寓所。
1920年5月，张作霖向徐世昌提出恢复张勋长江巡阅使兼安徽督军之职，被张勋拒绝。后来，徐世昌甚至还请他出任全国林业督办，他依然无动于衷。他在天津的松寿里闲居，一日，有一位客人劝他要识时务，该剪掉辫子了。张勋手捏辫梢学着杨小楼京剧念白：“吾回天无力，尚可独善其身。脑袋在、辫子不掉！真吾大清股肱之臣。”
1923年9月12日，张勋因病在天津逝世，终年69岁，溥仪赐谥“忠武”。张勋逝世后，政界闻人和文化名流纷纷致电哀挽，祭文、哀诗和挽联不计其数，或敌或友，不同政治立场的人几乎都对其孤忠大加赞美，后来他的家属在门生故吏的帮助下，专门编辑了一本《奉新张忠武公哀挽录》。张勋灵柩经过几番周折运回老家江西奉新安葬，无数赣籍百姓自发相送，成为当年在江西地方上最为轰动的大事之一。
