到 1915 年底，張孝淮已基本整合了湖南絕大部分勢力的支持，麾下兵力達到 2萬餘人，具備了與湯薌銘正麵抗衡的實力。
1916 年 1 月，雲南護國起義爆發，蔡鍔、李烈鈞等率軍北上討袁，湖南反袁運動隨之進入高潮。
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張孝淮抓住這一有利時機，於 1916 年 2 月在衡陽宣布獨立，成立 “湖南護國軍”，自任總司令，正式舉起反袁驅湯的旗幟，由張孝淮親自率領，從衡陽沿湘江北上，直取長沙；湘西革命軍第 2 師師長周承輔率領，從常德向益陽進軍，從西側牽製湯薌銘的兵力。
湯薌銘得知張孝淮起義後，迅速調集湖南新軍主力 1.5 萬餘人，在湘潭沿湘江一線重要地方布防，試圖阻擋護國軍北上。然而，湯薌銘的軍隊早已人心渙散，士兵多為湘籍，不願為袁世凱複辟賣命，且對湯薌銘的殘暴統治心懷怨恨。
在湖南護國軍的進攻下，湯薌銘軍隊節節敗退；周承輔在益陽擊潰湖南新軍第 1 旅，俘虜旅長胡叔麒（此前常德之戰的敗將），占領益陽，逼近長沙外圍。
更致命的是，長沙內部的倒湯勢力也趁機發難。在張孝淮的事先聯絡下，長沙士紳聯合商會發動罷市、罷課，要求湯薌銘 “順應民意，退出湖南”；長沙民團的留守部隊則控製了長沙城內的關鍵據點，防止湯薌銘派兵鎮壓民眾。
內外交困之下，湯薌銘意識到大勢已去，於 1916 年 3 月 15 日深夜率親信部隊倉皇逃離長沙，經湖北逃往北京。次日清晨，張孝淮率領護國軍進駐長沙，受到長沙民眾的熱烈歡迎。
進駐長沙後，張孝淮迅速采取措施穩定局勢。
他首先發布《安民告示》，宣布廢除湯薌銘時期的苛捐雜稅，釋放被湯薌銘關押的政治犯，贏得民眾的廣泛支持；其次，他就任湖南都督，以 “湖南都督” 的名義整合湖南軍事力量，將湖南新軍剩餘部隊與護國軍合並，改編為 “湖南陸軍”，下轄 3 個師。
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