经李根源、罗佩金介绍，加入中国同盟会。1911年（宣统3年）10月末，为唿应武昌起义，蔡锷发动昆明重九起义，刘存厚参加了此次起义。云南军政府成立后，刘存厚任参谋部第1部部长。蔡锷为支援四川省的革命派而组织了援川滇军，刘存厚被任命为该军总参谋，随军赴四川省。此后，刘存厚离开滇军，转投四川都督尹昌衡。
四川的攻防战.1912年（民国元年）4月，刘存厚任川军第4镇统制（后改为第4师师长）。1913年（民国2年）二次革命爆发，刘存厚支持袁世凯，击败革命派的熊克武。9月，任重庆镇守使，第