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但梅鹤孙却说刘师培是突然离家出走，他在《刘氏五世小记》中记载：“这一天，舅氏忽然出外未归，举家皇急，派人四出寻觅。有人说看见他乘红船过江的。后来接到上海来信，其实当时是林少泉与他一同赴沪的。”
在上海，刘师培结识了章太炎、蔡元培、章士钊、陈独秀等人，在他们的影响下，刘师培迅速转变成一个反清斗士，从此绝意科场，投身民主革命活动。他反对满汉一体的论调，主张排满，在《苏报》发表《留别扬州人士书》、《中国民约精义》等文章，公开表明自己的革命立场。
刘师培投身革命后，更名为刘光汉，“光汉”为“光复汉族”之意，表示其反清排满之决心。
刘师培在《留别扬州人士书》中，呼吁创办新式学堂、鼓励出洋留学；在《论留学生之非叛逆》，公开表示支持学生运动。
1903年，俄国侵略东北，蔡元培等人发起“对俄同志会”，并创办《俄事警闻》，刘师培加入该会，并担任《俄事警闻》主笔之一。后1904年初，《俄事警闻》改名《警钟日报》，刘担任主编。
刘师培祖辈三代治《左传》，是不折不扣的旧式文人，但刘师培投身革命后，成为《中国白话报》的主要撰稿人，以白话文撰写文章宣传民主革命。
刘师培曾在《中国白话报》发表《论激烈的好处》一文，文字激昂，革命情绪高涨，并署名“激烈第一人”。刘师培在文中说，惟有激烈的手段可以唤醒和鼓动中国的民众，使他们不再安于现状，苟且偷生。一言以蔽之，中国的衰亡都误在“平和”二字，要治本就得激烈。
刘师培曾先后参加了蔡元培组织的军国民教育会、暗杀团，是光复会的首批会员，加入同盟会、国学保存会等组织。加入暗杀团时，先“设黄帝位，写誓言若干纸，如人数，各签名每纸上，宰一鸡，洒血于纸，跪而宣誓，并和鸡血于酒而饮之。其誓言则每人各藏一纸”。
1904年冬，刘师培等人谋划了刺杀王之春事件。王之春任广西巡抚期间，以事后转让广西全境路矿权为条件，向亨达利洋行借款，并向法国借兵镇压哥老会陆亚发、王和顺起义。王的所作所为让革命党人非常愤慨。王之春被免职后居上海，华兴会会员万福华与刘师培、章士钊、林獬、扬州学生陈自新密谋行刺，刘师培还将张继所赠手枪借与万福华，但刺杀时，子弹竟不出膛，万福华被王的卫兵逮捕。刘师培等人上楼一看，吓得赶紧将枪仍在地上，仓皇逃走。第二天，章士钊到捕房探望万福华，捕房尾随他到住处，搜出了制造炸弹的化学仪器、炼药炉灶等，张继、黄兴等十余人均被捕。刘师培亦被拘入捕房坐了一夜，捕房见其形色苍黄，言语支吾，一看就是怯懦书生，次日便将他释放。
次年三月，《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。
刘师培曾发起编辑乡土教科书活动，他编写了《江苏乡土历史教科书》、《江苏乡土地理教科书》、《安徽乡土历史教科书》、《安徽乡土地理教科书》等教科书，激发国人爱乡爱国、保族保种的热情。
刘师培著有《攘书》，表示“攘除清廷，光复汉族”的决心。
1907年2月，刘师培应章太炎之邀偕同母亲、妻子何震及何表弟汪公权东渡日本，加入同盟会。刘师培很快成为章太炎主编的《民报》的主要作者之一。他在《民报》上接连发表《普告汉人》、《利害平等论》、《悲佃篇》、《清儒得失论》、《辨满人非中国之臣民》等文章，为革命摇旗呐喊。
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。
到日本三个月后，何震就发起“女子复权会”，创立机关刊物《天义报》，狂热地鼓吹无政府主义。《天义报》宣传介绍无政府主义的代表人物蒲鲁东、巴枯宁、克鲁泡特金、托尔斯泰等人的思想。刘师培也为该报撰稿，他全面介绍了克鲁泡特金的思想，将其概括为“互相扶助说”与“无中心说”。
刘师培曾发表《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。”
刘师培对孙中山很是厌恶鄙夷，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）
刘师培“外惧党人，内惧艳妻”。对革命党人的失望，对妻子的顺从、与章太炎的反目，最终导致他脱离革命阵营，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，不敢自己做主，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云门具函礼聘，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，听小人之言，并符合她的名利思想，以为能与官场联系，自然另有出路，遂极力怂恿要挟。刘师培本疏于世故，没有自己的立场，遂听妻言回国。
1908年5月24日，刘师培用窃得的章太炎的私章，在上海《神州日报》上冒章太炎之名发表《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。”
刘师培投靠端方后仍然与革命党人保持联系，但却是为充当清廷的卧底。他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”。
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运气，于1909年被王金发击毙。此后，陈其美曾令蒋介石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。刘师培彻底与革命党人决裂。
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。刘师培后出任成都国学院副院长，并在四川国学学校兼课，讲授《左传》、《说文解字》等课程，又与谢无量、廖季平、吴虞等人发起成立四川国学会，著《废旧历论》等。
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何中，刘师培不遗余力为袁服务，曾任公府咨议、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。
【反目】
清朝末年，刘师培在上海结识章太炎，二人皆为古文经学家，对对方的学问很是推崇，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，二人被人合称为“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，他替刘师培抱不平，暗中告知刘。结果刘师培反怪章多事。刘母也不相信此事，大骂章太炎居心不良，挑拨儿子儿媳夫妻关系。
据汪东说，何震因某些事情对章太炎怀恨在心，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。
无论如何，刘师培对章太炎决裂，此时他对革命党人也很看不惯，在妻子何震和汪公权的撺掇下，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”。
在得知刘师培伪造启事之事后，章太炎非常气愤，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，和章太炎打官司，后被人劝阻。为了泄愤，他们便到到章太炎寓所，将他痛打一顿。
接下来，有人在章太炎的茶壶里面投毒，这便是轰动一时的“毒茶案”。后经调查发现，投毒者为汪公权。事情败露后，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很是困难，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。刘师培的信让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，与麟戮力支持残局，度刘生必能如命”。
刘师培出卖陶成章、张恭后，章太炎仍对刘师培抱有希望，他致书刘师培，称其变节是受人诱惑，希望他重新回归革命阵营，但刘师培并未理会。
有学者认为，章刘反目的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，可是刘依旧没有理会。
【袍泽】
1903年，刘师培在上海结识陈独秀，二人先后参与了《国民日报》和《警钟日报》的创办。刘师培因考场失意辱骂科举，遭到通缉而逃到上海。陈独秀因在安庆藏书楼发表了爱国演说，被端方通缉潜逃沪上。因有“同是天涯沦落人”相同际遇，又有强烈的反满情绪，二人过从甚密，时时相聚谈说志向。
1903年冬，陈独秀回到芜湖，创办《安徽俗话报》。临行之时，陈独秀送章士钊和刘师培诗云：“勤王革命皆形迹，有逆吾心罔不鸣。直尺不遗身后恨，枉寻徒屈自由身。驰驱甘入棘荆地，顾盼莫非羊豕群。男子立身惟一剑，不知事败与功成。”署名“陈由己”。刘师培深有感喟，在诗下题曰：“由己，由己，由一己所欲。”
回到安徽后，陈、刘