陆军第三镇实习后，回到奉天，被任命为盛京将军衙门卫队哨长。1909年（宣统元年），随朱庆澜换防，转赴四川省任卫队管带。其间，经方声涛、叶荃介绍，加入中国同盟会。1911年（宣统三年），四川省的革命派发动起义，局势混乱，郭松齢乃回到奉天，策划革命。但是，赵尔巽和张作霖通过执法部门将其逮捕并监禁。经过同期学生的支援，郭松龄终于被释放。1912年（民国元年），郭松龄入北京将校研究所学习。以优秀的成绩毕业后，1913年（民国二年），考入北京陆军大学（今陆军指参学院）深造班（研究班）第三期。1916年（民国五年）