1917年5月下旬，當黎、段因解散國會問題爭執不下時，段祺瑞策劃武力推翻黎元洪並解散國會，黎元洪得到消息，先下令免去段祺瑞的國務院總理。張勳乘機提出“非復辟不可”的主張，於6月7日率“辮軍”北上。黎元洪被迫下令解散國會。14日張勳到達北京。
經過一陣緊張的策劃，張勳於1917年6月30日潛入清宮，決定當晚發動復辟。
1917年7月1日凌晨1時，張勳穿上藍紗袍、黃馬褂，戴上紅頂花瓴，率領劉廷琛、康有為、陳毅、沈曾植、王士珍、江朝宗及幾位辮子軍統領共50餘人，乘車進宮。
3時許，廢帝溥儀在養心殿召見張勳。張率領諸人，溥儀行三拜九叩禮。同日，溥儀發佈“即位詔”，稱“共和解體，補救已窮”，宣告親臨朝政，收回大權。他公佈9項施政方針，一連下了8道“上諭”，大舉封官授爵，恢復清朝舊制。參加復辟的重要分子，均被授以尚書、閣丞、侍郎等要職，康有為任弼德院副院長，張勳為議政大臣兼直隸總督、北洋大臣，並被封為忠勇親王。張勳還通電各省，宣佈已“奏請皇上覆闢”，要求各省應即“遵用正朔，懸掛龍旗”，史稱“張勳復辟”。
12日為皖系軍閥段祺瑞的“討逆軍”所擊敗，逃入荷蘭使館，溥儀退位，被通緝，繼逃到天津德租界地區。
1918年3月，北洋政府以“時事多艱，人才難得”為由，對洪憲衲首和辮帥復辟案犯均一律實行特赦。獲自由後一直蟄居津門德租界6號（今河西區浦口道6號）寓所。
1920年5月，張作霖向徐世昌提出恢復張勳長江巡閱使兼安徽督軍之職，被張勳拒絕。後來，徐世昌甚至還請他出任全國林業督辦，他依然無動於衷。他在天津的松壽裡閒居，一日，有一位客人勸他要識時務，該剪掉辮子了。張勳手捏辮梢學著楊小樓京劇唸白：“吾迴天無力，尚可獨善其身。腦袋在、辮子不掉！真吾大清股肱之臣。”
1923年9月12日，張勳因病在天津逝世，終年69歲，溥儀賜諡“忠武”。張勳逝世後，政界聞人和文化名流紛紛致電哀輓，祭文、哀詩和輓聯不計其數，或敵或友，不同政治立場的人幾乎都對其孤忠大加讚美，後來他的家屬在門生故吏的幫助下，專門編輯了一本《奉新張忠武公哀輓錄》。張勳靈柩經過幾番周折運回老家江西奉新安葬，無數贛籍百姓自發相送，成為當年在江西地方上最為轟動的大事之一。
