1911年10月10日爆发武昌起义。12月29日，杭达多尔济与车林齐密特等蒙古王公喇嘛在库伦宣布独立，拥立外蒙古第八世哲布尊丹巴呼图克图为皇帝，建立大蒙古帝国。1912年1月，沙俄驻乌里雅苏台领事协助当地贵族发动叛乱，驱逐清朝乌里雅苏台将军以及参赞大臣等人。同时，沙俄呼伦贝尔领事又指挥当地各旗蒙古以大清帝国军的名义发动叛乱。

五月，外蒙军队进攻科步多地区，新疆都督杨增新做过努力，想要救援，科步多。但是沙俄派出科萨克骑兵与外蒙合流。科布多陷落，清军基本上彻底被赶出外蒙。1912年2月12日宣统退位，1912年11月，沙俄与外蒙签订俄蒙协约及俄蒙协约专条。1913年初，外蒙兵分五路向内蒙进攻，叛军主力猛攻多伦。北洋政府也意识到蒙古问题的紧迫性，开始不断调兵内蒙增援，新任多伦镇守使王怀庆率部激战。后来双方因为补给问题外蒙败退，而北洋军也无力追击1913年，当时中华民国外长孙宝琦。与俄国驻华大使朋斯齐，共同发表中俄声明文件，北洋因此失去对外蒙的控制权，埋下了外蒙古脱离中国的恶果。1915年，中、俄、外蒙在恰克图签订了恰克图协定。1917年苏俄成立，列宁宣布，以前沙俄和中国签订的不平等条约都不算。

一九一八年，外蒙自治政府出于自保，请求北洋政府驻军。1918年9月下旬，绥远骑兵第四团到达外蒙首府库伦。1919年7月收复了，被白俄占据的唐努乌梁海。十月底西北筹边使徐树峥到达外蒙视察部队，对于外蒙方面提出的有条件放弃自治非常不认可，直接把蒙古皇帝软禁起来，坚定改善蒙古未来地位64条，完全放弃蒙古自治，将一切权力上交中华民国政府。随后，中华民国大总统徐世昌授权徐树铮统管外蒙古军政事务。不久之后北洋内斗，徐树铮调走。1921年2月，外蒙残余势力又勾结白俄将领恩琴男爵，随后击败驻扎在外蒙首府的中国军队，3月18日攻下买卖城。至此，中国在外蒙的势力基本完全消失。五月，民国大总统，徐世昌任命东三省巡阅使张作霖兼任蒙疆经略使，但双方忙于内斗，最后不了了之。

1921年7月，苏俄借打白俄当作借口占领外蒙。11月25日，苏俄帮助外蒙建立君主立宪制的人民政府，并且签订苏蒙修好条约。1924年11月，蒙古人民党宣布废除君主立宪制，成立蒙古人民共和国，定都库伦，改名乌兰巴托，并且立法允许苏联驻军。蒙古至此成为苏联的卫星国，中华民国政府表达严正抗议。1939年，苏联和日本就因为蒙满边境问题爆发了诺门罕战役，这简直就是莫大的讽刺。1941年，日本外务大臣松岗洋右访苏，苏联同日本签订苏日中立条约，对此中华民国表示严重抗议。1945年，英美为了争取苏联对日宣战，英美两国在没有通知中华民国的前提下。与苏联签订了涉及外蒙古主权的秘密协定，雅塔尔协定，协定中提到外蒙的现状应予保持，这说明中国即使作为二战战胜国也无法收回外蒙。

后来国民党政府与苏联签订中苏友好同盟条约，中国将允许外蒙古进行全民公投，最后根据投票结果来决定是否承认外蒙古独立。1945年8月24日，中华民国立法院以95票赞成，四票反对通过这个条约。同日，蒋介石发表演讲，表示外蒙自北京政府时代，民国11年起。就事实上已经脱离了祖国而宣告独立，如今已经25年，今当日本帝国主义已告失败，东亚和平秩序初现端倪之际，我们认为这是解决这一重大问题的时机。如果外蒙以友好的精神寻找合法的程序，提出他们的独立意愿，我们政府自当予以承认。1946年1月5日，中华民国政府承认蒙古人民共和国的独立。