英国留学期间，他于1910年在伦敦加入了中国同盟会。1912年，梁上栋归国，当时正逢南北议和，山西都督阎锡山被袁世凯派陆军第三镇卢永祥部驱逐至绥远，袁世凯认为山西都督已离开山西，山西民军已失败，遂命令谈判代表提出拒绝承认山西乃起义省份之一。梁上栋和南桂馨等人同南方革命党代表在上海进行联络，坚持山西应属起义省份。后来孙中山回国后，通过孙中山同袁世凯的交涉，山西为起义省份的地位获得袁世凯承认，陆军第三镇卢永祥部撤离山西省，山西都督阎锡山遂返回山西。南京临时政府各部以“次长取实”，当时于右任为交通部次长，