1905年秋,盛京将军赵尔巽在奉天大北关设立奉天陆军小学堂,以培养陆军初级军事人才。郭松龄恳求在将军衙门当差的远房姑爷做担保推荐人,并以优异的成绩受到主考人的赏识而如愿以偿。1906年,郭松龄被选入奉天陆军速成学堂学习。这是一所全新的中等军事学校,由赵尔巽在奉天陆军小学堂内增设,以便加速培养军事人才。郭松龄在这里学习期间和担任教官的同盟会成员方声涛的关系很密切,并从他那里接触到民主革命的思想。1907年,郭松龄以优等成绩毕业。见习期满后,充任盛京将军衙门卫队哨长(相当于排长),由于带兵严谨,勤于职守,深得陆军统领朱庆澜赏识。郭从此与朱结成亲密的部属关系,并长期追随在朱的左右。1909年,朱庆澜调入四川驻防,任陆军第三十四协协统。郭松龄随他一同入川,任第六十八团连长。朱庆澜虽不是同盟会会员,但很支持同盟会的活动。在他的掩护下,军中成立了同盟会组织,并聚集了一批同盟会会员,如程潜、方声涛等人。1910年,郭松龄经方声涛、叶荃的介绍加入新军同盟会,成为同盟会早期成员之一。1911年,四川发生保路运动,四川同盟会利用保路同志军发动武装起义,围攻成都。已升为第六十八标第二营营长的郭松龄负责成都北部的防守,他对群众婉言相劝,没有发生流血冲突就解了围。结果,川督赵尔丰以通匪嫌疑撤销了他的营长职务,后在朱庆澜的恳求下才恢复原职。武昌起义后,四川各地纷纷独立,成都成立了“大汉四川军政府”,朱庆澜任副都督。但不久,川籍将领鼓动地方军队发动兵变,朱庆澜与客籍将领被迫离开四川。与朱有密切关系的郭松龄也无法立足,辞职回到奉天。1911年,升任第68标第2营营长。武昌起义后,朱庆澜受排挤离开四川,郭松龄返回到奉天。在奉天参加了张榕领导的联合促进会密谋起义,但遭清政府当局逮捕,欲处以斩首之刑,后经韩淑秀冒死拦截刑车,述说郭松龄是其未婚夫,返回奉天是为举行婚礼,从未参加革命党,才获得释放。