長州藩
慶応3年(1867年)10月、幕府の権威失墜が止まらない中、第15代将軍・徳川慶喜は大政奉還を行い、江戸幕府は崩壊した。
大政奉還を受けて、明治天皇より王政復古の大号令が発せられ、新政府が発足した。薩摩藩の大久保利通や西郷隆盛と共に長州藩の木戸孝允が参与(後に参議)として参加し、新政府の中枢の一人となった(高杉晋作は大政奉還直前に死去)。木戸は五箇条の御誓文の起草にあたり、また封建領主制度の改革の必要を大久保に進言し、この構想は明治2年(1869年)の版籍奉還に繋がった。明治4年(1871年)の廃藩置県でも主導的役割を果たしている
戊辰戦争では、藩士の大村益次郎が上野戦争などで活躍した。この戦争のうち、会津戦争やその戦後処理によって、会津藩(会津若松市)と長州藩(萩市)の間には今でも複雑な感情が残っているともいわれるが、実際は、長州藩軍は北越の戦いで進軍が遅れたため、会津戦争では戦闘を行なっておらず、また占領統治を指揮する立場でもなかった。
1869年(明治2年)11月、常備軍編成に関する不満から山口藩諸隊による反乱(脱隊騒動)が起こり、一時は山口藩庁が包囲されたが、木戸孝允が常備軍を指揮して鎮圧した。
明治3年(1870年)9月10日、府藩県三治制による藩制が定められ、それまで通称的な呼称であった「藩」が正式な呼称となる。山口藩は山口に藩庁を置いていたため、「山口藩」を正式名称とすることになった。
明治4年(1871年)6月、山口藩は支藩の徳山藩と合併し同年7月14日の廃藩置県で山口藩は廃止され、山口県となった。毛利家当主・元徳(広封から改名)は藩知事免官後、東京へ移って公爵に叙され、第15国立銀行頭取や貴族院議員を歴任した。