1913年11月至1914年1月期间，那木囊苏伦也率代表团出使俄国圣彼得堡。当时正值《恰克图协定》会谈期间，那木囊苏伦的代表团同俄国和中国分别进行了双边谈判，力图在会谈中维护外蒙古的利益，并划定外蒙古同俄国西伯利亚及中国满洲之间的边界。那木囊苏伦的代表团企图使国际社会承认外蒙古独立并支持内蒙古和外蒙古的统一，但最终这一愿望没有实现。俄国官员还阻止了那木囊苏伦同若干西方国家（包括美国、英国、法国、德国）驻俄国大使联系并赴西欧访问以寻求国际社会对外蒙古独立的支持的计划。1915年，中、俄、蒙三方最终签订了《恰克图协定》，承认外蒙古的完全自治，中国拥有外蒙古的宗主权。随后，1915年6月9日，外蒙古取消了独立，在中国的宗主权之下实行自治。实行自治之后，外蒙古的内阁总理一职改由五部衙门长之一兼充，那木囊苏伦的职务改为陆军衙门长兼充内阁总理。中华民国政府则任命他为齐齐尔里克盟盟长。任职期间，1916年7月25日下午，那木囊苏伦向中华民国首任都护使充库伦办事大员陈箓辞行，请假两个月回本旗，其内阁总理职务暂由外交长、辅国公车林多尔济代行；不久，那木囊苏伦便回任复职。