東京留學生的拒俄運動在全國造成很大影響，學生軍的解散，使部分留學生思想轉(zhuǎn)向，由愛國轉(zhuǎn)為革命。6月5日，革命色彩濃烈的《蘇報》偽造詔諭，煞有介事報道《清政府“密諭嚴拿留學生”》，指名藍天蔚等反叛朝廷，“隨時拿到，就地正法”。熱血拒俄的藍天蔚是官派留學生，經(jīng)留學生監(jiān)督汪大燮訓誡，漸與軍國民教育會保持距離。
10月，藍天蔚被日本陸軍炮兵工程學校正式錄取，學號為2408。11月，湖北巡撫端方迭電相召回國?；貒?，端方經(jīng)常問詢軍事改革問題，藍天蔚大膽建言，不少建議為端方嘉納。這令藍天蔚頗感知遇之恩，表示要盡心學業(yè)，并“勸勉他人，志歸純正，為將來報國之用”。端方優(yōu)遇藍天蔚，在留學生界產(chǎn)生積極影響，學生們也為之“共相感戴，共相奮勉”。
1904年初端方復派藍東渡日本，完成其學業(yè)，并隨帶50名湖北優(yōu)秀學生赴日留學，分別學習“軍需、輜重、測量、軍醫(yī)、軍樂、獸醫(yī)”，以及“騎手、鞍工、蹄鐵”等科目，后人評論，“鄂軍軍事學之發(fā)展，此為嚆矢”。才到日本，即接到外務部通知，京師練兵處召藍天蔚等六名湖北留學生，速速回國進京。藍天蔚遂辦理炮工學校的退學手續(xù)，匆匆回國。原本是赴京候用，張之洞等權(quán)衡再三，認為湖北派留學生赴東洋求學，不能歸湖北使用，未免不妥，遂留下藍天蔚等三名在湖北帶隊教操。
留在湖北的藍天蔚，擔任武昌高等學堂、湖北將弁學堂教習，兼任湖北營務處師參謀所咨議。次年湖北成立常備軍兩鎮(zhèn)，藍天蔚委為第一鎮(zhèn)司令部正參謀。1906年，湖北第一鎮(zhèn)改番號為督練第八鎮(zhèn)，藍仍任參謀。10月，清政府在河南彰德舉行秋操，分南北兩軍進行演習。北軍以北洋諸鎮(zhèn)為班底，段祺瑞為總統(tǒng)官；南軍以第八鎮(zhèn)、第二十九混成協(xié)為基干，張彪為總統(tǒng)官。藍天蔚任第八鎮(zhèn)正參謀官，參加演習。軍演結(jié)束，時人評論北軍“以勇氣勝”，南軍“以學問勝”，此中應有藍天蔚贊畫之力。1907年，藍天蔚調(diào)充湖北陸軍第八鎮(zhèn)第三十二標統(tǒng)帶兼湖北督練公所參謀。后陸軍部派兼充一等咨議官。
1909年，藍天蔚辭去三十二標標統(tǒng)，經(jīng)湖廣總督陳夔龍奏請，再赴日本陸軍大學深造。一年后，藍天蔚留學回國，經(jīng)陳夔龍、錫良聯(lián)名上奏，調(diào)任東三省第二混成協(xié)協(xié)統(tǒng)。1911年，清廷加藍天蔚陸軍協(xié)都統(tǒng)銜。東北鼠疫爆發(fā)經(jīng)年，是年藍天蔚督率兵隊，遮斷交通，遏絕疫氣，頗見成效，東三省總督錫良為其請旨嘉獎。
藍天蔚很注重士兵教育。早在任職湖北陸軍第八鎮(zhèn)第三十二標時，藍在鎮(zhèn)司令部設(shè)自習室，討論行伍之事；利用操課時間，對本標官兵講述改革的重要，并“大展其革新之志”，出其所學，手訂該標教育方針、內(nèi)務規(guī)劃，并刊印《教育雜志》。在遼東，藍部駐軍北大營，曾有記載“該協(xié)中士某入城采買，日本警察無理干涉其行動，該中士以一人打傷十余人，本人竟能安全回部。時日領(lǐng)出而交涉，藍復，此種士兵小沖突，談不到交涉，否則，就約定地點，我們來干一下子亦可。而日本竟亦無可如何。藍并將該中士立即升為司務長。由是而全軍士心一振，對藍亦愈有相當信仰”。
經(jīng)日俄戰(zhàn)后，日方勢力滲透甚深，東北滿鐵沿線儼然成日方國土。藍天蔚雖留學日本，但自有愛國熱腸。1910年日軍步兵第二十二旅團在奉天鐵嶺舉行聯(lián)合演習，藍天蔚要求對方中止演習，并以本國演習為由，率隊徑直穿越日方演習區(qū)域，引得日方憤憤然：“藍天蔚（原日本留學生）夙抱排日思想，事事物物皆與帝國舉措、行動相反對。”
治軍遼東，統(tǒng)兵一方，藍天蔚躊躇滿志。他平生絕少作詩，然而一首《夜歸北大營》一書再書，足見其當年情懷。詩曰：
無邊積雪溶遼水，此夜輕騎返大營。
天地昏昏人盡睡，風塵仆仆我孤行。
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章太炎評論藍天蔚“任至偏將清廷不知忌，同志不以為疑”，既說明藍天蔚恪盡軍人職守，才干突出，也說明他對軍中革命分子多加掩護和幫助，有同志之誼。1903年，先期回國的吳祿貞假座武昌花園山的孫茂森花園舉行聚談，結(jié)交有志青年，宣傳革命思想。藍天蔚當年年底回國，住武昌月余，有記載他參加了聚談活動?；▓@山聚會解體后，以組織形式繼之而起的革命團體是科學補習所，藍天蔚為之隱護。1904年黃興因舉行長沙起義事泄，遭行文通緝，在沅江船上，遇藍天蔚，藍自告奮勇，力保黃興安全經(jīng)過漢口。1906年革命團體日知會成立，藍天蔚常常前往日知會參與會談，捐助經(jīng)費，暗報消息，庇護會員。同志季雨霖等辱罵第八鎮(zhèn)統(tǒng)制張彪，藍天蔚先出資讓季等逃出鄂境，以避其禍，再請張彪按名通緝，以息其怒。彰德秋操期間，熊十力運動革命，為當局偵知，藍天蔚也暗中相告，助其安然遠走。
1911年 10月10日，武昌起義猝然爆發(fā)，當時清政府正緊鑼密鼓籌備永平秋操，未及舉行，即宣告終止。，擬參加會操的張紹曾所部第二十鎮(zhèn)未回原防，駐止灤州，經(jīng)與藍天蔚、盧永祥等相約，借機提出立憲要求。10月27日，由張紹曾、藍天蔚等聯(lián)名的十二政綱奏呈清廷，是為“灤州兵諫”。奏折指出武昌起義是“政治之無條理及立憲之假籌備所產(chǎn)出之結(jié)果”，提出?；实廴f世一系，開國會、定憲法，保民權(quán)，成立責任內(nèi)閣，廢苛政，擴大國會權(quán)力等一系列政治改革主張。與政綱相配合，張、藍等將北洋陸軍第三、五、二十鎮(zhèn)與第二混成協(xié)聯(lián)合組成“立憲軍”，以兵力“策憲政之進步”。灤州兵諫震動京師，清廷下罪己詔，允張、藍所奏，五天之后，清政府頒布立憲十九信條，十九信條包含藍天蔚等人所奏的大多數(shù)條文。奏綱入京后，清政府即命吳祿貞宣撫張、藍。吳乘此良機，與張、藍等密議，以灤州張部為第一軍，奉天藍部為第二軍，吳部為第三軍。第一軍由灤州趨豐臺，第三軍由保定趨長辛店，第二軍作后援隊，策劃既定，分別實行，共圖推倒清廷。
藍天蔚整頓部隊，擬應約率部出關(guān)，部隊趕到車站，車輛已為袁世凱、趙爾巽設(shè)計遣去，出關(guān)不利。而此時吳祿貞在石家莊被袁世凱派人暗殺，張紹曾被清政府褫奪兵權(quán)，藍天蔚聞信之下，只身趕赴灤州，力勸張起兵，然而張已無意于此。藍只得返回奉天，另做打算。
藍天蔚欲挾趙爾巽在奉天響應武昌起義，宣布獨立，然而趙爾巽堅持不允，并急調(diào)張作霖率防營入城。在諮議局開會討論獨立時，張作霖公開反對并持槍恐嚇，新軍幾位高級軍官也不贊同獨立，最后成立奉天國民保安會，趙爾巽為會長，吳景濂、新軍協(xié)統(tǒng)伍祥禎任副會長，藍天蔚被排擠、監(jiān)視，失去對所部的控制。清廷旋即撤銷藍天蔚協(xié)統(tǒng)之職，趙爾巽以“派赴東南各省考察”為名，禮送藍天蔚出境，潛消革命。
藍天蔚離開奉天抵大連，在報紙上向趙爾巽發(fā)表公開信，表明革命心志，勸趙隨大勢，順輿情，宣布東三省獨立，并勸說皇室禪位。東北革命同志公推藍天蔚為關(guān)東臨時大都督，東三省各地黨人聞訊，即以藍天蔚都督名義四處起義。
