毕业后留学日本。入陆军士官学校步兵科第6期，同期的同学有孙传芳、阎钖山、唐继尧等。1908年（光绪34年）毕业归国，获陆军科举人。此后他投云贵总督李经羲手下任云南陆军讲武堂战术教官。在这一时期，他经李根源、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。Sec