武昌起义爆发后，清廷起用袁世凯为总理大臣。唐绍仪深受袁世凯器重，被聘任为袁士凯内阁的全权代表，赴上海与南方民军总代表伍廷芳谈判议和。在南北谈判中，孙中山成功团结争取了唐绍仪，使其逐步走上了孙中山所指引的民主革命道路，与孙中山携手合作，促成了共和制度在中国的建立。
作为袁世凯议和专使的唐绍仪少年留美时曾接受过民主共和思想的熏陶，他认为清廷不足保全，共和应该推动。基于这种思想，自唐到达上海的第二天起，和议就分明暗两条线，一是唐绍仪、伍廷芳的公开谈判，一是著名的“惜阴堂”密议。12月25日，孙中山归国抵沪，旋即在惜阴堂会见了唐绍仪。两人“同乡里，彼此一见，以乡音倾谈，握手称孙中山，似故交。此后不三五日而一晤，尽掏肺腑”。自此，唐绍仪的思想有了新变化，对孙主张的西方议会制表示赞成。
在南北交涉过程中，孙中山表现出对唐绍仪的高度信任，唐绍仪也对孙中山真心地支持，在孙、袁的斗争中袒护孙而疏远袁，使几件关键事项，如停战、召开国民会议确立国体、优待退位的清廷等，迅速达成协议，为南北统一、清帝退位，建立共和政府奠定了基础，解决了国民必须解决的问题。
唐绍仪以最大限度地争取和平稳定为中心，在和谈中并没有把袁世凯的意思全部传达，而是先劝说袁世凯迎合南方之意将谈判地点设于上海，并一直以“清廷不足保全，而共和应当推动”为自己参加议和的指导思想；议和过程中一直坚持“拥袁共和”的方针，对南方作出了很大的让步。
正因为唐绍仪在和谈中未能尽袁世凯之意，被袁世凯中途撤消了总代表资格。袁亲自出马，以电报方式与伍廷芳交涉，并不断地对革命军施加政治、军事压力。和谈的结果是清帝退位、建立民国、孙中山临时总统职位让给袁世凯。然而伍廷芳、唐绍仪在议和中所签署的条款已产生重要的影响，使革命党人处于较有利的地位，袁世凯陷于较被动的地位。
在南北双方代表的共同努力之下，终于达成了确定共和体制、优待清室、推举袁世凯为大总统的协议。
这样的谈判结局，在当时的情况来说，特别是对于急切盼望国家统一、实现民主共和的同盟会革命者来说，应该是大势所趋，情理之中的。身为资产阶级民主政治代表的同盟会革命团体，在帝国主义和封建主义的制约下，本身就有其不可超越的局限性，好不容易夺来的革命果实，被封建主义和帝国主义统治代表袁世凯所窃取，也是必然的。
大家都尚在摸索行进中，唐绍仪也没能例外。至少他已经在摸索中尽了最大的努力，做到了最好。当他看清楚袁世凯的反革命复辟的真面目时，就毅然与之相向而行了。
袁世凯虽篡夺了革命成果，实现了其作大总统的阴谋，然而，要维护这安定的局面就必须选择南北双方都能接受的人物出任首届总统，唐绍仪适当其选，是孙中山、袁世凯双方的选择。
南北谈判成功后，袁世凯继任临时大总统，唐绍仪出任民国的第一任内阁总理。当初孙中山当大总统的时候，采用的是美国的总统制，不设总理，由总统直接统辖内阁。在交权前夕，为了限制袁世凯，临时起意把政府改成内阁制。但是老谋深算的袁世凯不可能入其彀中。这样一来，唐绍仪这个内阁总理必然要与袁世凯起冲突。因为唐绍仪不会是惟命是从之人，他有他的政见和抱负，有他所坚持的为国为民的“大道”；而袁世凯是不可能放弃独断专权的计划的。
唐绍仪少年时期就留学美国，已接受过民主共和思想的熏陶。民国初年，唐绍仪的思想立场更向民主共和方面转变，他由黄兴、蔡元培介绍，并由孙中山监誓，加入了同盟会——这也是他当上民国第一任内阁总理的原因，既深受袁世凯信任，又备受同盟会肯定——唐绍仪出任内阁总理后，抱有极大的政治抱负。于是，他挑选宋教仁、蔡元培、陈其美等同盟会骨干成员入阁，担任农林、教育、工商总长，使同盟会会员在政府中占据多数，内阁也因此被称为“同盟会中心内阁”。唐绍仪勤于公务，注重办事效率，使政府呈现一派新气象。
袁世凯习惯了独揽大权，对唐绍仪推行责任内阁制、“事事咸恪遵约法”自然甚为不满。两人在用人、财政、遵守《临时约法》规定的总理附署权等问题上常有矛盾，裂痕逐渐加深。唐绍仪主张“民国用人，务贵新不贵旧”，拒绝亲袁派内阁内务总长赵秉钧私自安排北洋旧人入阁之事。在筹款方面，唐绍仪拒绝英、美、德、法四国银行团提出的监督中国财政的无理要求，引起了袁世凯和财政总长及四国银行团的合伙攻击。1912年6月初，直隶省议会选举同盟会成员王芝祥为直隶都督，袁世凯不予承认，并将总理附署权抛诸一边，公布另任命令。唐绍仪见《临时约法》已遭到破坏，他“彻悟袁之种种行为，存心欺骗民党”，冷静之后，于6月15日愤而提出辞呈，时任总理不足3个月。
虽然只任内阁总理不到3个月时间，但后来唐绍仪被暗杀的缘由，皆因唐曾经位及高位，政绩出色，影响力甚大而起。
但唐绍仪这个人却是拿得起放得下、逍遥通达之人。不然也不会有上能为总理，下能为县官的美谈。走到哪里，他都是一样的君子作风，穷则独善其身，达则兼济天下。
辞去内阁总理后，唐绍仪寓居上海数年，与他人集资创办了金星人寿保险有限公司，自任董事长，但他一直密切关注着政治舞台。1913年对于袁世凯刺杀宋教仁之事，唐绍仪给予了强烈的谴责，并坚决拒绝袁世凯拉拢其复任北洋军阀政府总理。1915年，袁世凯终于按捺不住，大兴复辟，唐绍仪遂与蔡元培、汪精卫等民主人士联名致电，警告袁世凯“取消帝制野心，并辞职以谢天下”。护国军兴起后，唐绍仪再次致电袁世凯，劝其退位。
袁世凯死后，黎元洪继任总统，但皖系军阀段祺瑞大权在握。唐绍仪仍力主恢复旧约法和国会，站在孙中山革命派的立场上，多次拒绝北洋军阀的拉拢利诱。
护法运动开始后，唐绍仪也南下参加，并被孙中山任命为护法军政府财政总长。军政府改组后，唐绍仪又被任为七总裁之一，在护法军政府中份量不低。
1919年初，北洋军阀政府与护法军政府谈判议和，唐绍仪经验丰富，且具有很强的谈判能力，故又担任南方总代表。他竭力维护孙中山的护法旗帜，但这主张被北方的代表拒绝，同时也为把持南方军政府的桂系军阀所不容，遂被撤掉总代表之职。南北议和历时一年余，最终未能达成协议。
五四运动时期，唐绍仪又表现出爱国热情，他通电北洋军阀政府表示支持爱国学生。又多次通电巴黎，要求出席巴黎和会的中国代表、他的女婿顾维钧拒绝在和约上签字。
1920年6月，唐绍仪与孙中山等在上海通电反对桂系军阀，正式脱离军政府，赴上海坚持斗争。桂系军阀势力被驱逐出广东后，唐绍仪又随孙中山回到广州重建军政府。但此时唐绍仪与孙中山的政治主张已发生分歧，唐认为孙中山的理想太高，难以实现，且孙所制定的总统制与他的政党政治和责任内阁制理想亦不符。于是他拒绝出任军政府财政总长一职，在政治上表现消沉，寓居上海闭门不出。
南京国民政府成立后，唐绍仪又挂名为中国国民党中央监察委员和国府委员。1931年3月16日，唐任中山县县长，遂集中精力实施建设模范县的计划。唐绍仪堪称大才，治理一个小县，真被他治得条条是道，门路顿开。已值古稀之年的唐绍仪做起七品芝麻官来，跟当年做巡抚、尚书和总理一样，雄图大志，有板有眼，绝不糊弄。
早在1920年，他就曾向孙中山提出过在香山设立模范县的建议。此番设立中山模范县并由他领衔，了却了他梦寐以求的夙愿，终于可以实现他报恩故土，“回乡办事目的”。他表示，自己并不是“为官而来”，“自当竭诚尽事”。
上任伊始，为了扩大中山县在全国的影响，他遍邀民国要人来唐家小住，以争取南京政府的支持。一时间，冷落多时的唐家湾宾客盈门，四方辐辏，胡汉民、汪精卫、吴铁成、孙科、张继等相继造访。自此，中山模范县名声远播。从1929年2月份开始，他就接连向南京国民政府报告在唐家湾前后环沿海地区开辟一个可停靠5000至2万吨级轮船的南方巨大良港，并将该港辟为无税口岸，以取代香港和广州港的部分对外贸易地位的建议。
高屋建瓴的唐绍仪深知交通事业与经济发展进步的重要关系，除了将中山港作为全球经济发展的重要一环外，他更提出了“为中山建设计，须要水陆并重”，“陆路交通，将来建成铁路，直达广州，接粤汉铁路，直通中国北部及东北部，可以联络西伯利亚到达欧洲。至于机场，将来亦有地点可以筑”的构想。
西风东渐，在实业救国思想指导下，唐绍仪下大力气发展社会经济。在农业方面，他提出“发展农业，以足民食；宏辟工厂，以裕民衣；修筑庐舍，以乐民居；兴治道路，以利民行”。积极发动海外华侨回县投资。
作为早期的留美幼童，唐绍仪深谙教育对一国发展之重要。在任期内，他不遗余力地兴办学校，培训师资，在全国率先实行义务教育，每年增加教育经费，使中山县的教育事业取得了较快的发展。他还重视文化卫生保健等社会福利事业，提倡体育活动，设立中山港医院，开凿机井，兴建公共宿舍、厕所等，提升了社会的文明程度。这些举措，是社会和谐的基础和保障。但凡风物长流之所在，莫不民风和睦，乡约严整。历往如此，而今也不外。
唐绍仪主政五年，中山县发生了天翻地覆的变化。单就财政收入，中山县一年的收入可与贵州一省的收入相媲。他的巨大成功，为中山县积累了巨大的财富，但却使广东省的财政收入锐减，招致了“南天王”陈济棠的不满，被逼迫辞官。在中国，遍览古今，文人主政总是虎头蛇尾，有始无终。即便是民国钦点的“模范县”县长也难逃“地头蛇”的股掌。这不是唐绍仪个人的悲剧，而是中国固有的社会和文化传统的必然。没有理性的政治理念和良好的法制氛围，就不要奢望承平晏清的盛世。
至今中山还流传着他的逸事，说他修马路的时候，碰到土地公公挡路，民工不敢动，他就用手杖敲敲土地公的头，然后让民工下手。马路修好之后，下水道的井盖老是被偷，于是他下令在井盖上铸上“盗买与盗卖，均罚五十元；报信或引拿，均六成充赏”字样，后来就没有人偷了。
唐绍仪在中山县主政期间，是办了好事的。由于唐在中山得罪了封建地方势力和陈氏兄弟，就被他们视作眼中钉，便布下了除唐的阴谋，他们首先把支持唐的公安局长兼县兵总队长吴飞调走，安排自己的下属林树巍为县公安局长兼县兵总队长。林是个吸毒者，还明目张胆走私钨矿、牲口、五金出口，又从港澳走私大批洋货入口，唐看不过，就撤除了林兼县兵总队长之职。这样，既触怒了陈氏兄弟，又直接与林结怨。于是，“倒唐”步伐加快了。
林树巍有陈济裳兄弟撑腰，就布置其弟林军日率队哗变。这是在1934年10月7日，驻唐家湾的县乐特务小队长林军日，以索饷为名，突然率队围困唐绍仪的“望慈山房”入驻中山县，名为保唐，实质逼唐辞职。唐到了这个地步，只好愤然辞职，回上海去了。
唐绍仪举家寓居上海后，没有再参与政治。直到1938年抗日战争进行到关键阶段之时，唐绍仪才因为蒋介石与日本军政府的相争而死于非命。
1938年抗日战场上硝烟滚滚，武汉、广州等重镇相继告危。日本在中国的战线拉得太长，人力、物力、财力均告疲乏，需要喘息，或者另谋他路拿下中国政权。以蒋介石为首的国民党政府由于在正面战场大力抗击日军，军力大减，伤亡惨重，也正值政治空前敏感之际，恐再有动乱，疲于应付。恰恰日本政府在此时策动了一个叫做“南唐北吴”的计划，欲将吴佩孚和唐绍仪拉下水，成立伪政府，取蒋介石地位而代之，以求渐进侵略中国。蒋国民政府根基一直未稳，共产党在抗日后方的威胁已另他坐立难安，这时候他更不能容许另一个政权的产生。唐绍仪就是在这场争端中送命的。
1月16日，日本发表了“不以国民政府为对手”的对华声明，公开宣称要在中国建立与之合作的“新政权”。这是日本御前会议制定的侵华新政策，也就是所谓的“南唐北吴”计划——有意让中国第一流人物唐绍仪、吴佩孚分掌南北政权。日本显然想以此打跨中国的抗日力量