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阎锡山到日本后，先入东京振武学校学习日语和近代科学知识，1906年入日军弘前步兵第31联队实习一年，1907年正式进入日本陆军士官学校第6期学习。
振武学校是日本士官预备学校，于1903年由日本原成城学校改创。据舒新城《近代中国留学史》记载：“当时派遣去日本学习陆军的学生，曾入振武学校补习，毕业后进入士官学校。明治三十一年（1899年）由日本陆军部委托成城学校设施预备教育，……明治三十六年（1903年）学生渐多六十九名，专办训练中国陆军学生，改名为振武学校。”阎锡山一行是1904年赴日本的，那是振武学校改名的第二年。
说到留日学生，他们可谓中国反清革命的中坚力量。早在1900年以前，已有一些留日学生翻译出版18世纪卢梭、孟德斯鸠等人对德国资产阶级革命起了推动作用的著作。只是那时留日学生不到百人，他们的举措影响不大。但从1901年起，赴日留学学生人数骤增，到阎锡山出国的这一年已达3000多人。这种情形自然与清政府“新政”中提倡留学有关，但更主要与废除科举有关。自1901年废除科举以后，由科举步入仕途的路子已经断绝，知识界多把出洋留学作为理想坦途。日本距中国较欧美近，所需费用较少，因此，大批青年学生涌向日本。在日本，由于封建思想的束缚比国内要少得多，又接受了资产阶级的新学，在民族灾难的强烈刺激下，他们感到，要救国不能靠清廷的所谓“新政”，也不能靠康梁的改良主义，于是开始探求新的道路。到1903年上半年，随着拒法、拒俄两大运动被压制，留学生运动转入了反清革命的新阶段，许多青年学生纷纷转向革命。他们中间相当一部分人成为资产阶级革命思想的拥护者和宣传者。阎锡山到日本时，主张通过革命道路救国的人已不下数百，在东京这一革命党人的集散地，他除学习业务外，直接受到的影响主要是革命的思想。所以，他到日本仅三个月，即参与了革命党人的一些革命活动。
1905年7月，伟大的革命先行者孙中山，从欧洲来到日本东京。拟同华兴会领导黄兴等会晤，商谈筹组全国统一的革命政党问题。8月13日，东京的华侨和留日中国学生1300多人举行盛大集会，欢迎这位众望所归的革命领袖。大会盛况空前，气氛热烈，人们把孙中山视为“中国英雄中的英雄”和“四万万人之代表”。当时设在鞠町区富士见楼的会场容纳不下那么多人，有几百人情愿站在马路边上。孙中山在会上作了长篇演讲，针对康梁保皇派散布的反对革命的谬论，进行了尖锐而深刻的批驳。
听完孙中山的演讲，阎锡山反复体味其精神，认为孙中山的政治主张对于挽救民族危亡来说太适时了。以后他曾说：
政治不可失时，若不能适合时代的需要，一定要被时代所抛弃。清末百年之间，中国与世界的交通，事事相形见绌，国热日衰，成为列强瓜分的对象，应改革而不改革，能进步而不进步，使爱国之士认满清是亡国的因素、救国的障碍。国人的目标全集中在推翻满清政府，即其所培植的人才，皆成为推翻其自身的力量，遂致有“戊戍立宪万世帝王（按指戊戍百日维新倘若成功，满清或犹将维持其万世一系），癸丑立宪家破人亡”（按指民国二年衰世凯袁家宪法之订立，导致二次革命，演成军阀割据、分崩离析之局面）之批判。中山先生以先知先觉的德慧，高瞻远瞩的眼光，站在时代的前边，领导革命，遂能一呼万应，全国同心，不久实行推翻满清，建立民国。此一为违时，一为适时，违者即亡。而适者即兴，其理至为明显。
阎锡山这一段“宏论”确实不无道理，正如孙中山所说：世界潮流，浩浩荡荡，顺之者昌，逆之者亡。阎锡山能有如此论述，完全是出于自己的亲身体会，比如说：“即其所培植的人才，皆成为推翻其自身的力量”一语就是自己的亲历。和他同期赴日本学习军事的260余名留学生中大部分为清廷政府和各省抚台所派，这已经是清政府派出的第六批学生，人数超过前五次的总和。然而，往后参加革命，推翻满清的，也正是这些留日学生。
阎锡山这批留学生，在抵达日本不久就做出了一件震动清廷的快事。那时，他们从报上经常看到，清朝官吏残杀业已回国的前几期士官学校的学生。于是，他们就联名写信，警告时任北洋大臣、直隶总督的袁世凯和南洋大臣、两江总督的端方。
在这封联名信上说：如果他们再不停止残杀，那么，旅日的革命同志，便不惜以近万人的性命换取他们两条性命。这封恐吓信不知是否对袁世凯、端方有所震慑，但从以后的传播媒介上看，残杀之事果然不再多闻了。
孙中山在东京住定后，阎锡山多次前往拜谒、请教。他不仅赞叹孙中山的革命精神，而且羡慕孙先生的渊博学识，每次晤谈，孙中山对他所提出的问题都耐心解答。经过几次晤谈，他对中国革命所存疑问完全消失。孙中山先生所倡导的以三民主义救中国的思想也铭记在心。他认为当初自己的情绪是高涨的，意志是坚决的，距初到日本，在对革命的认识上，仿佛判若两人。以后，他应新闻记者之请，追述历次晋谒及集会的情景时说：
孙先生指出中国积弱之原因，在中国倾于保守，故让西人独步。中国从前之不变，因人皆不知改革之幸福，以为我中国之文明极盛，如斯已足。主张以三民主义救中国，并要将“政治革命”同“民族革命”并行。实行民族革命、政治革命之时，须同时改革社会经济形态。认为社会问题在欧美是积重难返，因中国还是幼稚时期，欲加防止尚较容易。我们须先患预防，故应三种革命同时并举。中山先生进而指示我们，救国家要从高尚的方面入手，莫要取法乎中间，以贻我四万万同胞子子孙孙后祸。若我们今日改革不取法乎上，则不过徒救一时，万不能永久太平。并谓绝不要随天演的变更，其进步收效方速。因之，革命情绪日益高涨，意志更趋坚确。距初到日本，个人对时事之认识，已判若两人。
1905年8月20日，中国第一个全国规模的资产阶级革命政党——同盟会在日本东京正式成立，最初参加革命运动的同志是当然的同盟会会员。阎锡山也属当然会员，他的入盟由同盟会的重要领袖黄兴监誓，当场表示奉行“驱除鞑虏，恢复中华，创立民国，平均地权”的誓言。同盟会的成立标志着中国资产阶级民主革命进入一个新的阶段，许多留日学生踊跃加入。
阎锡山不但自己加入，还介绍了四个小同乡康佩珩、赵之成、徐翰文和以后的老搭挡赵戴文一块加入。
同盟会成立后，其领导人对清政府派来的学军事的学生特别关注，因为这部分留学生回国以后就是清政府组织新军的骨干，掌握了他们，就等于掌握了新军，对领导起义夺取政权极为重要。所以孙中山、黄兴不仅对这些留学生作了大量教育争取工作，更在同盟会内部秘密组建纯军事干部组织——“铁血丈夫团”，吸收其中特别积极的分子，予以专门的培养和特殊的联系。
“铁血丈夫团”的名称是孙中山先生亲定的，顾名思义，铁与血是革命的两大利器，丈夫团则取自孟子的：“富贵不能淫，贫贱不能移，威武不能屈，此之谓大丈夫”。
“铁血丈夫团”的团员共28位，其中山西就占四位。分别有：湖南的程潜、仇亮；云南的唐继尧、罗佩金；江西的李烈钧；陕西的张凤翙、张益谦；四川的尹昌衡；浙江的黄郛；河南的杨增蔚；直隶的何子奇；湖北的何成浚、孔庚、朱绶光、李书城；山西的阎锡山、温寿泉、乔煦、张瑜等。
孙中山建立这一纯军事干部团体，目的就是要联系学习军事的同盟会同志，担负革命时期的军事重责。因此他为了保持这28位成员的秘密身份，避免引起清廷官吏的注意，特地嘱咐他们暂勿参加对外活动，专心学习军事，以待大举。
阎锡山既成为同盟会成员，又成为“铁血丈夫团”中的重要一员，他为能参加到这一反清革命行列感到非常荣幸，平时学习和工作的积极性很高，虽然不苟言笑，但情绪一直保持在兴奋点以上。当然，他毕竟过早进入社会，过早受过磨难，不像从学堂到学堂仅有学习经历的一般留学生那样单纯，那样轻信一些时髦口号与动听主张，他每遇一事，都要深究。他既然欢欣鼓舞地参加孙中山领导的中国同盟会，既然宣誓要为孙中山倡导的十六字纲领奋斗，就要一丝不苟地弄清楚十六字纲领的内容。当时，他对纲领中“平均地权”一语不甚了解，因此特地去向孙中山请教。孙中山的回答言简意赅：
“平均地权的这个‘权’字，既不是质，也不是量。这也就是说：所要平均的并非地亩多少，亦非地质好坏，而是说它的一种时效价值。”
阎锡山听了，直率地答道：
“我还不明白。”
于是，中山先生便举例说明，他说：“我给你举一个例子，譬如纽约原来是个沙滩，可以说不值一文钱，但是现在因为纽约已经繁盛起来，所以纽约的一方尺地，就要值到七百两银子。”
阎锡山当时并没有问一方尺是英尺呢还是公尺，但是他却又追问：
“美国也是使银子，花两数的呀？”
“不，美国的货币叫达拉Dolar，一达拉大约等于我们中国的一两银子。我说一方尺地值七百达拉，你一定不晓得究竟值多少钱，所以我才跟你说是值七百两银子，这样你一听就懂了。”
阎锡山恍然若有所悟地说：
“那么，您所说的平均地权，就是平均由这一文不值涨到了的七百两呀！”
中山先生和蔼地笑笑说：
“你说对了。”并又进一步解释说：“原来一文不值的土地，今天值到了七百两银子，但这并不是人力所为，也不是造化所授，纯粹是因为国家的经营而提高，所以不应当让地主享有，而应该由国家享有才对。你明白了吗？”
阎锡山很高兴地说：“我明白了！”
孙中山先生又说：“像纽约这样的情形，世界各地太多了！就我们中国来说吧，上海、天津、汉口、广州都有这种情形发生，而且还在继续发展，因此，我认为应该实行平均地权。”
阎锡山紧接着又问：“商埠码头可以实行平均地权，普通都市是不是也能实行平均地权呢？”
中山先生肯定地答道：“凡是有这种情事发生的，都应该实行平均地权。”
阎锡山再问：“耕作地呢？”
中山先生回答他说：“耕作地因为国家经营而提高价值的比较少。”
阎锡山还在打破砂锅问到底，他说：“那么，因为人力改良而增涨的地价，可不可以归于国家享有？”
中山先生答复说：“不可以，人力改良的，应该归出力人所享有。”
阎锡山内心的疑问，得到了完满的答复，他欣欣然地起立告辞。事后他说：“这一席谈话，历时三十分钟，在那短短的三十分钟谈话里，中山先生频频地问我：‘你明白了吗？’总在十次以上，那一种谆谆诲人的亲切态度，至今回想，尤觉敬服不置呢！”
关于革命进行的程序，在东京的同盟会骨干也进行过深入的研究，最后确定了“南响北应”的总策略。
据阎锡山1945年1月15日在总理诞辰讲话时回忆：
最初讨论革命进行的程序，经多次的研究，因种种的关系，将革命程序分为两部：一为江南，一为江北，也就是江南发动，江北响应。因为江北离北京近，发动起来易遭扑灭，所以决定由江南发动，其理由有三：一是距北京远，清军南下不易；二是由海口运输军需品及得到外人协助比较容易；三是江南的革命潮高，发动后易于感召。
这个程序决定之后，各省的任务也就因此有了区别。山西的任务是什么？就是革命军到河南后，山西要出兵石家庄断清军的后路。