民国四年(1915年)12月12日，袁世凯正式称帝，成为中华帝国的皇帝。袁世凯称帝后的第一道命令就是册封黎元洪为“武义亲王”。在册封令下达之时，黎元洪委婉地拒绝。此时，各省督军、巡按使、镇守使、都统、巡阅使等纷纷以“东厂胡同黎亲王”、“武义亲王”、“黎亲王”等不同的电头致电向黎元洪表示祝贺。但黎数次拒绝了袁世凯各种变换招数的册封形式。
护国运动发生后，以云南、贵州起兵反对帝制最为剧烈。为消除战争，稳定大局，民国五年(1916年)3月28日，在袁世凯宣布取消帝制的第六天，副总统黎元洪就邀集辞职引退的原国务卿徐世昌、时任参谋总长兼代理国务卿段祺瑞联名就滇黔息兵问题四发勘电。滇黔问题最终在黎元洪等人和社会各界的共同努力下，蔡锷、唐继尧等人考虑到袁世凯己宣布取消帝制，遂放弃与中央的割据和战争，共建民国。
民国五年(1916年)5月7日，西南四省倡议成立中华民国军政府并宣告:“中华民国大总统，领海陆军大元帅一职，依法由副总统黎公继位。”袁世凯取消帝制后于民国五年(1916年)6月6日去世。
府院之争
民国五年(1916年)6月7日，即袁世凯死后的第二天，黎元洪在东厂胡同宅邸就职中华民国大总统。黎元洪就职大总统后，各方来电请求恢复“民元约法”(民国元年约法)和“民二国会“(民国二年国会)制定之大总统选举法，召集国会，速定宪法，组织责任内阁，废除民国二年(1913年)十一月四日后袁氏伪制，惩办祸首。所有措施须依临时约法，以解时局纷扰之祸，慰人民望治之心，固民国根基之本。
以段祺瑞为首的北洋军阀坚持袁氏约法，主要是出于维护北洋军阀的合法地位的考虑，有利于段祺瑞独揽大权，武力统一全国;如果约法恢复，延伸而来的就是要恢复国会，这个以国民党议员居于优势地位的旧国会当然也就会成为他实行军事独裁的障碍，所以段一再坚持不肯恢复旧约法和旧国会。革命党人和护国军政府方面坚持恢复临时约法和民二国会，实际上也是为了打破北洋系专制独裁的局面，重新使中央政府回归到民主政治的轨道上来。民国五年(1916年)6月27日，黎元洪致电冯国璋商谈恢复约法召集国会，指出临时约法束缚了行政的顺畅，应当速速筹措召开宪法国会开会。
黎元洪继任大总统离不开段祺瑞的拥护和支持。段祺瑞拥护黎元洪就任也是迫于当时政治形势的需要。为维护这种相互依存关系，黎元洪任命段祺瑞为国务总理，组织责任内阁。段祺瑞由于有着强大的北洋军和除西南六省外的各省掌握军政实权的督军和高官的支持，对手无武装实力、仅依存于国会的黎元洪不放在眼里，继续推行自己的军阀作风。在对德参战等问题上，双方斗争和矛盾急剧升级，引发了激烈的府院之争，其结果是黎元洪下令免去段祺瑞的职务。段祺瑞愤然离京去津，策划武装倒黎。民国六年(1917年)5月，张勋在徐州邀开督军团会议，正逢段祺瑞被免职，与会各省督军群情激愤，痛骂黎元洪和国会。张勋则乘机盘算着借驱黎之名达到复辟清室的目的。
民国六年(1917年)6月7日，张勋率五千辫子军北上，7月1日张勋进京，拥戴清废帝溥仪即位。出于对张勋势力的威胁，黎元洪不得已逃到日本公使馆进行躲避。此时，广东高官朱庆润、广西省议会、江苏督军李纯等纷纷电请黎元洪勿思引退，以武力斩除张勋。7月3日，段祺瑞以讨逆军总司令名义誓师讨伐，剑指张勋一人，余者不咎。不出十日功夫，张勋等复辟势力即遭到段祺瑞的镇压。张勋复辟使段祺瑞以“再造共和”的功臣身份回到北京，黎元洪也因段祺瑞讨逆成功而重获自由。
法统重光
民国六年(1917年)8月28日，黎元洪启程赶赴天津，从此开始了长达五年的息影津门的生活。黎元洪受到企业盈利的巨大鼓舞，热心发展实业。他也曾表示:“对于政治业已心灰意冷，以后将在实业界力求活动”，从而拿出自己的官傣收入、土地租金或利用个人的政治影响借债银行，先后选择在北京、天津、上海、湖北等13个省和香港等地，投资煤矿、盐碱、钢铁、纺织、烟酒、食品、制药、林场、银行、证券、信托、保险、邮电等各种企业70多个，有的还亲自出任董事长，或以子女的名义担任要职，施展实业救国的抱负。
民国十一年(1922年)6月，直系军阀曹锟、吴佩孚赶走皖系总统徐世昌，徐世昌在各种利益的左右和外部武力的胁迫下，他显得孤立无援而不得不于同年6月3日辞去大总统职位。总统一席又是虚位以待。直系军阀对此虽凯觑已久，但顾忌到西南军阀、奉系和国民党的反对，不好直接登上总统宝座。早些时候，原国会众议院议长吴景镰曾通过吴佩孚的部将王承斌给吴献上了“法统重光”之计，即重新拥戴黎元洪复职大总统，恢复张勋复辟期间解散的国会。其立论根据在于黎元洪的离职和国会的解散都处在非常时期，是不得已而为之，故需补满任期侯期满后再行重选。按照这一推理，其后“安福国会”选举的总统徐世昌自然也就非法，理应下台。但其用心却不在于真正的保持“法统”，维护国家的稳定和法律的尊严，而是明修栈道，暗渡陈仓，以黎元洪为跳板来实现曹、吴的总统之梦。所以，徐世昌辞职当日，曹、吴就领衔会同直系军阀17人发表通电，表示拥黎元洪出山继任总统职位。
6月6日，黎元洪发出“废督裁兵”的鱼电，颇得社会同情和部分军阀的响应。9日夜到10日早间，川、湘、汉、东三省定团体发出劝驾电凡十数通，章太炎等名流亦来贺电，加上吴佩孚发来电报解释曹、边恫吓不要顾忌，此时黎元洪出山之心“已为之动然，尚未出诸口云，但已侧注废督裁兵一层”。
复职后，黎元洪面临三大问题需要着手解决。一是内阁问题，内定颜惠庆组阁;二是国会问题;三是统一问题，主要是西南和东北两部分尚未统一。同时，黎元洪虽然再次上任大总统职务，但北京政府内部的政治斗争并未因此停息，国会与内阁的冲突也直接反映了直系内部保、洛两派的明争暗斗，这在罗文干案引发的倒阁风潮上的表现最为集中。在直系各派的激烈争斗下，随后半年内，内阁又迭经汪大燮、张绍曾署理，黎元洪也在政治漩涡的中心不能自拔。
下台逝世
1923年10月5日，曹锟贿选成功，反直同盟随之瓦解，黎元洪复位总统的梦想破灭。一年来的奔走呼号，使黎元洪身心疲惫。加之曹锟上台后加大了对异己的打击力度，黎元洪的生活和生存空间越发狭小，他只好选择东渡日本。1928年6月3日，黎元洪因为脑溢血在天津去世，享年65岁。黎元洪死后，以国葬的形式葬在土公山(现华中师范大学东南门附近)。1935年11月24日中华民国国民政府于武昌为黎元洪举行国葬典礼，遗体归葬于武昌卓刀泉。