1904年，刘师培又到河南参加会试未中，心中更为忧愤，归来时途经上海。此时革命党人正密谋刺杀广西巡抚王之春，刘便参与其中。万福华探明王将于某日在三马路金谷春番菜馆宴客，这日下午，刘师培即与陈去病等人怀揣手枪前往行刺。万福华直冲楼上，但刺杀时，子弹竟不出膛，万遂被王的卫兵逮捕。刘师培等人上楼一看，吓得赶紧将枪仍在地上，仓皇逃走。逃走路上，刘遇到巡捕盘问，巡捕见其形色苍黄，言语支吾，将其拘捕，次日释放。
次年3月，《警钟日报》因辱骂德国侵略者被查封，刘师培亦被租界巡捕房通缉，刘师培化名“金少甫”，先避往浙江，不久，又应陈独秀邀请来到安徽芜湖，先后任教于安徽公学、皖江中学。刘师培与在安徽公学任教的陈独秀、章士钊等人以教师身份作掩护，秘密组织了反清革命团体岳王会，培养暗杀人才。
刘师培著有《攘书》，表示“攘除清廷，光复汉族”的决心。
刘师培的《辨满人非中国之臣民》是为驳斥梁启超所作，当时梁写《满洲为建州卫论》一文，汪精卫曾撰一文驳斥梁，但征引不充，辞气未达。之后，刘师培便撰此文，他在文中详细考证了满人历史沿革，最后得出满族是外夷，与汉族“不独非同种之人，亦且非同国之人”的结论。章太炎读完此文后，赞不绝口：“申叔此作，虽康圣人亦不敢著一词，况梁卓如、徐佛苏辈乎？”
变节
1907年，刘师培受章太炎邀请，举家东渡日本。当时，日本社会党内部弥漫一股无政府主义思潮，刘师培结识幸德秋水后，迅速转变成无政府主义者。刘曾发表《无政府主义平等观》一文，全面阐发自己的无政府主义思想。
刘师培与章太炎、张继等人组织“社会主义讲习会”，在中国留日学生中宣讲无政府主义。刘师培等人宣传的无政府主义是混杂的，杂糅着国学、启蒙学说、马克思主义和无政府主义思想。
1907年，同盟会中发生了以章太炎为首的“倒孙（中山）风潮”，刘师培是章太炎的支持者之一，并由此引发了刘师培对革命党人的极端不满。陶成章说刘师培当时“因见孙文受外贿，心轻之。寻又以与会中办事争权，大恨党人”。刘师培自己也将“变节”的原因归因于对革命党人的“失望”，他说：“东渡以后，察其隐情，遂大悟往日革命之非。”
刘师培对孙中山厌恶鄙夷，认为“盖孙文本不学之徒，贪淫成性，不知德为何物”。他曾派日本人北辉次郎、清藤幸七郎与程家柽商量，想雇佣杀手取孙中山项上人头。程是卧底清廷的革命党人，刘师培并不知情，因程将此事告诉刘揆一、宋教仁等人，刘师培的刺杀计划未成功。此后，刘师培痛恨程家柽坏其好事，便指使日本人加藤位夫、吉天三郎把程诱拐到偏僻处痛殴。若不是警察闻赶来制止，程恐已命丧黄泉。但因其脑被击伤，时常疼痛，记忆力锐减。（一说挨打的是刘揆一）
对革命党人的失望，对妻子的顺从、与章太炎的反目，最终导致刘师培脱离革命阵营，倒向清廷有名的改良主义者端方。1907年底，由何震出面联络，他作《上端方书》，表示今后“欲以弭乱为己任，稍为朝廷效力，兼以酬明公之恩”，并献“弭乱之策十条”，背叛革命，但他并没有马上与革命党人决裂，而是暗中充当端方暗探。
刘师培变节的原因，许多人猜测与何震花钱无度有关。有人这样写道：“何震在东京颇有艳名，与其所谓姻弟汪公权有暧昧关系。一个人讨了漂亮老婆，算不得一件好事。漂亮人总不免有些嗜好，第一好修饰；第二好交际，这两种嗜好都需要有较多的金钱供其挥霍。由于丈夫不能满足其欲望，便容易受到外间的诱惑。何震首先变节，被两江总督端方收买，随后刘师培也上了这条黑船，居间穿针引线的就是汪公权。”
据刘师培的外甥梅鹤孙说，端方为两江总督时，李瑞清为两江师范学堂监督。有人建议延聘刘师培为师范学堂历史教授，但李瑞清因刘为革命党，不敢自作主张，他与端方的首席幕僚陈庆年商量后，由陈向端方进言，说刘师培“虽为革命党人，近年已不谈种族革命。他若能来，实为上选。”端方遂嘱江宁藩司樊增祥具函礼聘，由李、陈电约返国。刘师培接电后很是犹豫，而何震不愿再居日本，又听信小人之言，以为能与官场联系，自然另有出路，遂极力怂恿要挟。刘师培本疏于事故，没有自己的立场，遂听妻言回国。
1908年5月24日，刘师培窃得章太炎的私章，在上海《神州日报》上冒章之名发表《炳麟启事》，称章准备“闭门却扫，研精释典，不日即延请高僧剃度，超出凡尘，无论新故诸友，如以此事见问者，概行谢绝”。章太炎看到启事后非常气愤，于6月10日在《民报》上刊登《特别广告》，澄清事实，并称刘氏夫妇是清廷密探。至此，章、刘反目。
刘师培说：“中国革命党所持之旨，不外民族主义，故舍排满而外，别无革命。师培自斯以后，凡遇撰述及讲演之事，均设词反对民族主义，援引故实，以折其非。盖事实均由学理而生，若人人知民族主义不合于学理，则排满之事实，自消弭于无形。此即古人正本清源之说也。”
刘师培变节后的第一件事便是诱捕陶成章。1908年冬，徐锡麟案发后，清廷通缉陶成章，刘师培凭着与陶“关系素深”，“日与两江督标军官米占元往各船坞查成章行踪，久之不得，无以复端方之命，而以张恭报告于端方，张恭遂被拿问”。因刘师培的密报，革命党人江浙大举计划泄露，被迫中止。
张恭被捕后，王金发持枪闯入刘师培的寓所，刘下跪求饶，愿意以身家性命担保张恭安全，才得免一死。汪公权就没有那么好的运气，1909年4月，汪从妓院出来，被王金发在途中击毙。此后，陈其美曾令******等人暗中除掉刘师培，但因孙中山怕暗杀行动会暴露起义计划，阻止了他们的行动，刘师培才又逃过一劫。
汪公权被杀后，刘师培公开成为端方幕僚，为端方考订金石，并任教于两江师范学堂。至此，刘师培彻底与革命党人决裂。
刘师培入端方幕府后，家中稠人广坐，但刘仍不修边幅，累月才理发，新衣亦墨痕烟灰狼藉。然而每每出门，随身数名仆从，均衣饰整洁华美，出行马车，亦极鲜亮，见者以为奇。
1911年，刘师培随同出任川汉、粤汉铁路督办大臣的端方入川。在保路运动中，端方因镇压运动被杀，刘师培也在资州被革命军拘捕。辛亥革命胜利后，刘由孙中山保释出狱。出狱后，刘经谢无量介绍，到四川国学院任教。
1913年夏，刘师培离开成都，他在《与成都国学院同人书》中称自己本想在川兢兢业业，重振国学，无奈力不从心，加上疾病缠身，准备返回家乡。然而，他并没有回到家乡仪征，而是到了山西，担任南桂馨家的家庭教师。后经南介绍，成为阎锡山的幕僚。
阎锡山看重刘师培的学问，将其推荐给袁世凯。在袁世凯称帝的过程中，刘师培不遗余力为袁服务，曾任公府谘议、参政院参政等职，后又加入“筹安会”。1916年，他为袁世凯所写的鼓吹帝制的《君政复古论》还没来得及全文刊登，袁世凯便一命呜呼。刘师培本被列入通缉名单，幸得李经羲担保，他才免受牢狱之灾。
据梅鹤孙分析，刘师培“一直在家庭庇荫与外祖母劬劳慈爱之下生长的，当然对于人情世故是生疏的。所以在上海与蔡孑民、太炎诸公朝夕谈论，思想日新。加以性情急躁，听见人提一个意见，不假思索，不计利害，马上实行”。这或许就是刘师培迅即革命，又旋即变节的原因所在。
反目
1904年，刘师培在上海结识章太炎，二人皆为古文经学家，对彼此的学问推崇有加，又有共同的排满倒清信念，故二人意气相投，视为知交。因章太炎字枚叔，刘师培字申叔，被人合称为“二叔”。
1907年春，在章太炎的邀请下，刘师培带着母亲、妻子何震和汪公权东渡日本。到日本后，章太炎与刘师培夫妇同租一处房屋合住，“三人同住一起，亲密得像一家人。但是，不过两个月，就吵得不可开交，章太炎不得不搬到民报社居住”。
刘、章关系决裂，据说因章太炎一次发现何震与其表弟汪公权关系暧昧，汪东回忆：“章太炎从民报社迁居刘处，于无意中发觉了汪、何的秘密，便私下告诉刘，刘的母亲也听见了，非但不信，反大骂章造谣，离间人家骨肉。这事声张开来，汪、何二人当然恨之切齿，尤其是汪。我那天正去看太炎先生，被刘母遮住了诉一顿冤。汪公权满脸凶气，眼睛里都是红丝，跳出跳进，嚷着‘我们白刀子进，红刀子出来’。”
据汪东说，此后，章太炎便搬出刘家，重新住到民报社。而何震因此对章太炎怀恨在心，时常对刘师培吹枕边风，刘师培听信老婆的话，与章太炎反目。
梅鹤孙又说，章、刘二人反目是因为“论学及政见不同，闻其中有奸人播弄，遂略有龃龉”。“舅氏与余杭章太炎氏学术既同，情好甚敦。因有不良分子造为诽谤，说章太炎外和内忌，游扬当道，有不利于孺子之心等语，登诸报章。再经舅母加以饰词，舅氏因为大恨，遂向太炎绝交。太炎百计修好，舅氏都置之不理，有信亦不复的。”
此时，刘师培在妻子何震和汪公权的撺掇下，已有了投靠清廷之心。刘师培窃得章太炎私章，伪造《炳麟启事》。何震还亲自动手，给吴稚晖写信，“揭发”章太炎为“反革命”。章非常气愤，他发表《特别广告》，称启事为刘师培捏造，并揭发刘师培夫妇是清廷密探。刘师培夫妇也准备还击，据说他们准备聘请律师，欲与章太炎打官司，后被人劝阻。为了泄愤，他们便到章太炎寓所，将他痛打一顿。
此后，有人在章太炎的茶壶里面投毒，这便是轰动一时的“毒茶案”。据有人猜测，投毒者为汪公权。此事发生后，东京留日学生界舆论哗然，强烈谴责刘师培夫妇。在此期间，日本政府应清政府的要求，查禁《民报》、《天义报》等报刊。刘师培夫妇在东京的处境益加困难，遂返回国内。
刘师培回国后，致函黄兴称，章太炎曾让他写信给两江总督端方，只要端给两万元，便可舍弃革命宣传，赴印度出家。随信附有章太炎要他与端方联系筹款的五封信的影印件。刘师培此事并非空穴来风，当时章太炎对同盟会内部事务不满，曾想出家，去印度学习梵文。因经费问题，曾先后求助于张之洞和端方，但最后此事作罢。1912年，章太炎在给浙江统一党电报中澄清此事，称当时筹款游印，与革命活动无关。刘师培的信件使得在巴黎的吴稚辉有了可乘之机，吴立即抓住这个机会，称章太炎早已受清廷收买，扩大孙中山与章太炎的矛盾，致使同盟会由于内讧元气大伤。
章太炎曾想挽救与刘师培友谊，但并未得到刘的谅解。1908年6月1日，章太炎曾致函孙诒让，恳请孙调解他与刘的矛盾。他在信中说：刘师培“与麟同术，情好无间，独苦年少气盛，喜受浸润之谮。自今岁三月后，谗人交构，莫能自主，时吐谣诼，弃好崇仇；一二交游，为之讲解，终勿能济（以学术素不逮刘生故）。先生于彼，则父执也。幸被一函，劝其弗争意气，勉治经术，以启后生，与麟勠力支持残局，度刘生必能如命”。
有学者认为，章、刘反目可能还有学术上的原因。章太炎是清末民初著名的古文经学大师，早已饮誉学林，自视甚高，目无余子；刘师培祖辈三代传经，家学深厚，刘本人也在古文经学上卓然成家，且年少气盛，不肯相下。二人长期频繁交往，可能产生龃龉。
辛亥革命后，章太炎不念旧恶，与蔡元培在上海登报寻找刘师培的下落，可是刘依旧未予理会。
