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袁世凯在北京登上民国临时大总统的宝座后，全面改组了临时政府，排斥、拉拢、收买革命党人。刘冠雄和汤芗铭宣布退出国民党后，袁世凯仍保留了他们的职位，并授予海军上将和中将军衔。同时，袁世凯还千方百计削弱或裁撤革命党人掌握的军队，利用革命党内部的分歧，趁机扩充了自己的嫡系北洋军，对革命党人举起了屠刀，先后杀害了湖北军政府军务司副司长张振武、将校团团长方维。
1913年3月20日，宋教仁被刺。孙中山号召革命党人起来讨袁。
江西都督李烈钧首先举起武装反袁的旗帜。1913年初，袁世凯下令在九江扣留了江西省向外商购买的7000支步枪和300万发子弹，并派海军八艘舰艇监视，准备把这批军火收归海军。李烈钧把赣军主力调到九江附近，赶走了勾结袁世凯的九江镇守使戈克安，并公开发表声明，强烈要求归还枪支弹药。海军舰艇慑于李烈钧赣军的威力，不敢贸然行事。
双方相持了两个月，袁世凯被迫同意李烈钧于3月中旬取回了枪支弹药。
6月9日，袁世凯下令罢免李烈钧的江西都督职务。在孙中山于上海召开的讨袁会议上，李烈钧勇敢地挑起举兵反袁的重担，被推为讨袁军总司令。7月8日，李烈钧秘密回到江西湖口，组织反袁起义。李烈钧打算策反驻江西的海军“楚有”、“楚谦”两舰共同讨袁，计划给两舰指挥官罗致通5万元，舰长3万元，副长2万元，但未能成功。7月10日，李烈钧在湖口誓师起义，成立讨袁军总司令部。讨袁军没有海军，仅有一些原水师部队和江防炮台。
江西举义后，袁世凯急令海军配合陆军前往九江、湖口一带镇压起义军。7月12日，海军部次长汤芗铭带领“飞霆”、“江利”、“建安”、“楚同”、“湖鹗”等舰艇沿长江而上，停泊在武汉的“楚豫”、“楚谦”等舰则顺江而下，合攻江西讨袁军。
7月12日，讨袁军首战告捷，歼敌120余人，攻占沙河。23日晚，北洋第一军在段芝贵指挥下向讨袁军发起了全面进攻，海军舰炮亦向湖口炮台猛烈射击。24日夜，汤芗铭率“江利”、“江亨”、“楚同”、“湖鹗”等舰艇从九江出发，掩护由火轮拖带的运兵民船队偷袭湖口。船队运送的鲍贵卿旅（当时改称海军陆战先遣支队）在湖口东炮台下游柞机登陆，于25日午时占领湖口东、西炮台。讨袁军被迫放弃湖口，退往吴城。“江利”舰驶入鄱阳湖掩护陆军攻占了白虎塘屯粮地。27日，赣军第二师师长刘世钧率其一部至寡口北岸，试图反攻湖口，结果被海军拦截，刘部退到小池口后溃散。8月8日，吴城失守。16日，李烈钧带残部撤往湖南。18日，北洋军占领南昌，江西讨袁之举失败。
当上海的革命党人正在运动海军反袁时，刘冠雄于5月中旬一面派人到各舰笼络，一面把舰艇调往烟台整训。6月19日，刘冠雄在大沽口海面检阅舰队，为南下镇压革命党人做准备。
7月3日，袁世凯命海军中将郑汝成为总执法官，率领“应瑞”、“肇和”两舰护送由陆军第四师第十三团临时改编的海军警卫队1300余人（团长臧致平），搭乘招商局的“新昌”、“安平”两轮南下，于7月6日抵沪进驻制造局，取代袁世凯不信任的原驻军第六十一团及第三十一团。
7月16日，吴淞要塞司令姜国梁宣布独立。海军总司令李鼎新奉袁世凯之命派部队会同步兵一个营进攻吴淞。当时，有许多海军官兵不赞成这一军事行动，“应瑞”舰舰长毛仲芳、“楚有”舰舰长魏子浩向李鼎新进言：“陆军宣战，海军暗攻，违背战时公法，并有害人道，稍明军事学者所不为。”李鼎新无言以对，但心中对两舰长生疑。于是，他将司令部由“应瑞”舰迁到“海筹”舰上。袁世凯又派人持外国银行汇款140万元收买官兵，并下令：“如不用命，将以军法从事。”毛魏两舰长愤然辞职离舰。7月18日，“飞鹰”舰驶入吴淞口时遭到炮击，海军与讨袁军形成对峙局面。
7月23日凌晨，上海讨袁军向制造局发起大规模进攻，由于海军警卫队凭借地势和火力的优势，讨袁军一再失利。黄浦江上的“海筹”、“海琛”、“应瑞”、“肇和”、“镜清”等军舰也一起发炮轰击讨袁军，讨袁军炮营阵地被舰炮摧毁，人员损失很大。
7月26日，“海圻”等三舰为配合制造局作战，企图冲入黄浦江，遭到吴淞炮台阻击，军舰同炮台展开了炮战。“联鲸”舰首和烟囱中弹，舰长许建帮率舰向讨袁军投诚。“海圻”、“海琛”两舰退至浏河口停泊。
7月28日，袁世凯任命郑汝成为上海镇守使。刘冠雄奉命亲率4艘军舰及陆战队（由陆军第四师第七旅临时改编，旅长李厚基）抵吴淞口，遭吴淞炮台狙击，无法驶入黄浦江。刘冠雄命陆战队用舢板在九洞附近登陆。31日，讨袁军从龙华撤往七宝，进攻制造局之战完全失败。
从8月2日起，刘冠雄一再派舰猛攻吴淞炮台，均被讨袁军击退，“海圻”等舰中弹受创。9日，刘冠雄调陆战队从制造局回吴淞，攻击炮台侧后。12日，海军舰艇协同陆战队向吴淞炮台发起总攻，守台将士奋力还击。讨袁军将领、原海军部参谋叶匡亲自操炮射击，击伤“海琛”舰。但炮台官兵伤亡过重，难以坚持。经红十字会柯思（英国籍）医生在炮台与海军之间奔波调解，讨袁军吴淞要塞司令居正、宝山司令钮永建同意和平解决，并于当晚率部撤出吴淞和宝山，撤往嘉定。13日午时，北洋海军接管了吴淞炮台，李厚基部也随即进驻。袁世凯任命李厚基为要塞司令，刘冠雄兼南洋巡阅使，萨镇冰为淞沪水陆警察督办。
8月24日，袁世凯命令刘冠雄率领海军，协同冯国璋的北洋第二军攻占南京。在此之前，冯军曾企图渡江进攻南京，遭到讨袁军狮子山等处的江防炮台及巡江艇的阻击未能得逞。“海圻”、“海容”、“永丰”等舰及一艘鱼雷艇于8月20日抵达镇江。23日，又有“海琛”、“楚有”、“镜清”、“应瑞”及两艘运兵轮抵镇。24日，练习舰队司令饶怀文率四舰两艇到达南京乌龙山、卸甲甸江面。
8月25日夜，“海琛”、“应瑞”、“楚有”等舰溯江进击，直抵大胜关，切断了南京至芜湖的水上联系。次日夜，又增派“永丰”舰前往加强上游分舰队的火力，掩护北洋第二军从浦口渡江后在下关登陆，再急攻清凉山、仪凤门等处。一度被讨袁军扣留的“湖鹏”、“张”两条鱼雷艇及讨袁军的军火船、运粮船数只也被夺回。海军主力则在下游攻击狮子山及南京城东北部，并派人员在幕府山上设立了海军观察台，以旗号指示舰炮射击目标。31日，上下游海军舰艇一起配合北洋军对讨袁军发起总攻。经两日激战，讨袁军被迫于9月1日退到城外，下关和狮子山等江防炮台被海军攻占。北洋军冲入城内，大肆烧杀抢掠。9月2日晨，讨袁军在雨花台最后一战中全军覆没。
在安徽战场，7月19日，讨袁军第二旅旅长龚振鹏部进击大通，与诡称独立的第一师师长胡万泰部发生冲突，“楚谦”舰开炮轰击讨袁军。8月8日，海军舰艇护送陆战支队鲍贵卿部到安庆。26日，汤芗铭率“楚谦”、“楚同”、“楚泰”、“建威”、“湖鹗”等舰艇掩护陆军进攻荻港，经六小时激战，讨袁军放弃荻港。战斗中，“楚泰”舰桅索被击断。随后，汤芗铭派“楚泰”、“楚同”、“建威”三舰先行，向芜湖方向搜索前进，自率“楚谦”、“江利”、“湖鹗”等舰艇跟进。同日，北洋军勾结芜湖海关的帝国主义分子，偷袭并夺取了讨袁军的“安丰”号炮舰。次日，在北洋军水陆夹攻下，芜湖陷落。
湖南方面，袁世凯派汤芗铭率“楚有”等四舰，会同曹锟的北洋第三师于9月17日进逼岳州，随后从洞庭湖到达长沙。10月18日，袁世凯起用杀人不眨眼的刽子手汤芗铭为湖南都督，原定的都督曹锟改为长江上游警备司令。这样，在镇压二次革命的过程中，有三个海军将领攫取了地方军政大权（另两人是福建的刘冠雄和上海的郑汝成）。
在镇压“二次革命”的战争中，海军充当了袁世凯北洋军的急先锋和帮凶。由于海军的介入，使双方力量对比发生了重大变化，最终导致了讨袁军的失败。此后，由于军阀内部分裂日益加剧，海军也随之不断分化，再也不能作为一个整体来镇压革命了。