1908年清朝驻美公使伍廷芳（中站者）在纽约华人剧院内向当地华人劝设孔庙，后面挂有美国星条旗和清代黄龙旗。而到了1910年初，近古稀之年的他卸任回国寓居上海。虽曾上奏请求允许剪辫未获回应，但次年他就在上海张园公开组织了千人剪辫典礼，公开与清廷决裂。辛亥革命爆发后，他正式投身革命。
1911年，他作为南方革命军政府代表，与袁世凯的北方代表谈判。他充分发挥法理与外交优势，达成清帝退位等协议，确保了革命成果。1912年，南京临时政府成立后，他被任命为首任司法总长，奠定了中国近代司法独立的基础。袁世凯死后，他出任段祺瑞内阁的外交总长，并短暂代理国务总理。
1917年至1922年，他因反对段祺瑞，南下广州参加护法运动，先后任护法军政府外交总长、财政部长及七总裁之一。1922年6月23日，伍廷芳因陈炯明叛乱，忧愤成疾，病逝于广州。