Duan opiskeli sotatieteitä Saksassa. Hän toimi vuonna 1901 Zhilin maakunnan varakuninkaaksi nimitetyn kenraali Yuan Shikain sotilaallisena neuvonantajana. Duan ylennettiin 1906 prikaatinkenraaliksi ja nimitettiin 1909 divisioonankomentajaksi. Vuonna 1911 hän tuli Yuanin tilalle Hubein ja Hunanin kuvernööriksi, ja komensi armeijaa taisteluissa vallankumouksellisia vastaan. Duan kuitenkin siirtyi Yuanin mukana tammikuussa 1912 vaatimaan keisarin eroa. Presidentiksi kohonnut Yuan nimitti hänet sotaministeriksi tasavallan ensimmäiseen hallitukseen. Toukokuusta heinäkuuhun 1913 Duan toimi pääministerinä ja sen jälkeen Hubein sotilaskuvernöörinä sekä 1914–1915 uudelleen sotaministerinä. Hänet ylennettiin syyskuussa 1912 kenraaliksi ja 1915 sotamarsalkaksi. Kun presidentti Yuan kaavaili julistautuvansa keisariksi, Duan vetäytyi palveluksesta terveyssyihin vedoten. Vuoden 1916 alussa Yuanin monarkiasuunnitelmat saivat useat eteläisistä maakunnista nousemaan kapinaan. Duan ja kenraali Feng Guozhang kieltäytyivät auttamasta presidenttiä kapinan kukistamisessa, jolloin tämän oli peruutettava suunnitelmansa keisariksi julistautumisesta. Huhtikuussa 1916 hän nimitti Duanin uudelleen pääministeriksi.