辛亥革命后，驻防吉林的第二十三镇改为第二十三师，孟恩远任师长。1916年，孟恩远正式担任吉林督军一职，实际控制了吉林的军政大权，与一心想当"东北王"的奉系军阀张作霖展开了明争暗斗。

1917年，张勋拥立清朝末代皇帝溥仪复辟，张作霖和孟恩远均派代表参加了复辟活动，被张勋分别任命为奉天巡抚和吉林巡抚。但张作霖见机行事，得知北洋军阀实力派人物段棋瑞准备讨伐张勋时，立即决定拋弃张勋，追随段祺瑞，遂于7月7日通电全国，声讨张勋，反对复辟。孟恩远却相形见绌，不仅没有及时转变，反而命吉林省所属机关一律改用宣统正朔年号，悬挂龙旗三天；他还到北京清宫请安，得到在紫禁城骑马的"殊荣"，令督军署参谋长高士傧大张旗鼓地歌颂"复辟"。7月12日，张勋复辟失败，孟恩远才慌忙转舵，将责任全部推给其外甥、吉林督军署参谋长高士傧。张作霖抓住孟恩远参与复辟的罪责，策动了一次驱逐孟恩远的运动。

8月，张作霖从奉天派遣几位众议员，联络吉林和黑龙江的几位众议员，孟恩远参与张勋复辟、任人唯亲和滥用省库等为由，要求北京政府调走在吉林任职长达10年的孟恩远。10月8日，担任国务院总理的皖系军阀段祺瑞，为了拉拢奉系、打击直系，下令撤换与直系军阀关系密切的孟恩远职务，改任其为有名无实的诚威将军，同时任命皖系要员、察哈尔都统田中玉为吉林督军。孟恩远绝不示弱，令高士傧等以全省官兵的名义，致电北京政府，予以抵制；同时鼓动吉林各界人士联名上书请愿，挽留孟恩远，拒绝田中玉；10月22日，孟恩远宣布"吉林独立"，决心与张作霖对抗到底。

张作霖在段祺瑞支持下，向孟恩远施加压力，任命孙烈臣、许兰洲为"讨吉军"正、副司令，准备兵发吉林。孟恩远也积极备战，命高士傧将军队调集到吉林、长春之间，形成吉、奉两军对峙的局面。就在两军剑拔弩张的时候，国内外形势发生了重大变化：

一是俄国"十月革命"爆发，北京政府生怕"十月革命"的烽火蔓延到东北，令孟恩远增兵哈尔滨，并夺取中东铁路的管理权，显然是放弃了撤销孟恩远在吉林任职的决定；二是田中玉见吉奉之争的激烈与复杂，深恐自己卷入其中，亲自到北京向段祺瑞说明自己绝不前往吉林任职；三是以直系军阀为首的17省督军联名发表声明，吁请北京政府收回成命，留任孟恩远。一心想独霸东北的张作霖既希望驱逐孟恩远，将吉林置于自己的掌控之下，也怕皖系干将田中玉到吉林任职，成为自己新的政敌。因此，张作霖决定暂时不再驱逐孟恩远。1918年3月，直系军阀首领、民国总统冯国璋仍任命孟恩远为吉林督军，张作霖只好寻找更加有利的时机再对孟恩远出击。

1917年末至1918年初，直、皖军阀内争加剧。1917年11月，直系军阀联合西南军阀，迫使皖系军阀首领段祺瑞下台。段祺瑞虽然暂时退出北京政坛，却天津作为自己的大本营，巩固和发展反对直系的力量，派心腹干将徐树铮前往奉天，向张作霖抛出两个诱饵：一是鼓动张作霖派兵悄悄入关前往秦皇岛，劫取北京政府总统冯国璋从日本购入的大批军火；二是如果张作霖入关支持段祺瑞，将来选举张作霖为副总统。本来就靠武力发迹的张作霖，轻而易举地夺得了大批军火，然后迅速扩编了7个混成旅，实力陡增。段祺瑞则利用入关的奉军，迫使冯国璋批准王世珍内阁辞职，宣布段祺瑞组阁。由于各种力量的钳制，张作霖虽未当上副总统，却于1918年9月7日被北京政府任命为东三省巡阅使，成为东三省实际上的军政长官，为其名正言顺地吞并吉林、独霸东北提供了理论根据。

张作霖的咄咄逼人，使得孟恩远坐卧不安，他利用权力，滥发纸币，搜刮军饷，将自己的军事力量发展到1个师又5个混成旅。孟恩远的做法加重了吉林人民的负担，也被张作霖抓到把柄。1919年1月，张作霖唆使吉林省参议员贵良弹劾孟恩远的"秕政"，要求对其依法查办。张作霖则给孟恩远发去一道公函，暗示其如果自动辞职，愿意保举他为东北边防军总司令。孟恩远非但置之不理，还扬言要他的一师五旅与张作霖对抗到底。

6月，张作霖又指使部分"公民"，控告孟恩远纵兵殃民八大罪状。受到"五四运动"的冲击，又迫于张作霖的压力，内外交困的北京政府于7月6日下令特授孟恩远为"惠威"将军，免去其吉林督军一职，由黑龙江督军鲍贵卿接任吉林督军。北京政府还派出官员专程到长春劝说孟恩远不要反抗，张作霖也派人示意高士傧愿意收他为门生。然而，孟恩远拒不服从北京政府的命令，高士傧也不接受张作霖的收买。

7月7日，以高士傧为首的吉林省高级军官联名上书北京政府，要求收回免去孟恩远吉林督军的命令，并限48小时答复。孟恩远随即以"兵变"为借口，上奏北京政府称："我若离开吉林，六十营士兵马上（会）哗变。"北京政府只好推辞鲍贵卿到任，命吉林省长郭宗熙暂时兼摄吉林督军。郭宗熙根本不敢接任，孟恩远便装模作样地报告北京政府："遵令交卸，送印予郭省长不受，何时得行？"高士傧则将军队部署在长春、农安、伊通一线，准备与奉系军阀开战，同时宣布吉林"独立"。

张作霖见以行政手段和威逼利诱均不能奏效，便从北京政府取得讨伐令，准备以第二十七师师长孙列臣为南路总司令，第二十九师师长吴俊升为北路总司令，南北夹击孟恩远。就在吉、奉大战一触即发之际，日本在长春的驻军一手制造了"宽城子事件"。在日本在长驻军、北京政府和张作霖等多方压力下，孟恩远只好离开吉林，张作霖实现了独霸东北的目的。接替孟恩远的是鲍贵卿，他既与张作霖是同乡和儿女亲家，又与直、皖系军阀有着千丝万缕的联系，曾担任北洋政府陆军次长和中央讲武堂堂长。

张作霖不能容忍北洋军将领长期把持吉林，使东北不能在自己的完全掌控之下。由于张作霖的有意排挤，1921年3月，鲍贵卿以眼疾为由辞职离开吉林，张作霖乘机委任他的把兄弟孙烈臣为吉林省督军兼省长，使吉林牢牢地在张作霖的掌控之下。1924年4月24日，孙烈臣在吉林病故，张作霖让他最小的把兄弟张作相执掌吉林，开始了张作相在吉林近8年的执政生涯。

在奉系军阀统治时期，吉林省的机构设置是，省政府下设秘书处、民政厅、财政厅、实业厅、教育厅、森林厅，吉林永衡官银钱号等十余个机构，设立县治干部训练所，对考试合格的县长进行分班训练。建成了吉（林）海（龙）铁路，吉林的军运、客运和货运均可经海龙直达奉天和北京，从而打破了日本所属的南满铁路对吉林交通运输、经济流通的控制和垄断。在省城吉林修建了市内的柏油马路和松花江北岸的江堤，绿化和美化了城市环境，收购了私人创办的电灯公司，建立了消防系统。学校教育得到一定程度的重视，鼓励多方办学，建立了吉林大学，并于1929年5月正式招生。

把全省划为7个剿防区域，组织水上警察，研究实行保甲制，切实贯彻剿匪奖励条例，使社会治安明显好转。然而，军阀统治的弊端在奉系军阀掌控的吉林也无法逃脱，官员搜刮敛财成为常态，限制甚至反对青年学生的爱国运动，压制中国共产党的革命活动，致使日本侵略势力的渗透加重，吉林人民也和全国人民一道掀起了一场又一场反帝爱国运动。