东京留学生的拒俄运动在全国造成很大影响，学生军的解散，使部分留学生思想转向，由爱国转为革命。6月5日，革命色彩浓烈的《苏报》伪造诏谕，煞有介事报道《清政府“密谕严拿留学生”》，指名蓝天蔚等反叛朝廷，“随时拿到，就地正法”。热血拒俄的蓝天蔚是官派留学生，经留学生监督汪大燮训诫，渐与军国民教育会保持距离。
10月，蓝天蔚被日本陆军炮兵工程学校正式录取，学号为2408。11月，湖北巡抚端方迭电相召回国。回国后，端方经常问询军事改革问题，蓝天蔚大胆建言，不少建议为端方嘉纳。这令蓝天蔚颇感知遇之恩，表示要尽心学业，并“劝勉他人，志归纯正，为将来报国之用”。端方优遇蓝天蔚，在留学生界产生积极影响，学生们也为之“共相感戴，共相奋勉”。
1904年初端方复派蓝东渡日本，完成其学业，并随带50名湖北优秀学生赴日留学，分别学习“军需、辎重、测量、军医、军乐、兽医”，以及“骑手、鞍工、蹄铁”等科目，后人评论，“鄂军军事学之发展，此为嚆矢”。才到日本，即接到外务部通知，京师练兵处召蓝天蔚等六名湖北留学生，速速回国进京。蓝天蔚遂办理炮工学校的退学手续，匆匆回国。原本是赴京候用，张之洞等权衡再三，认为湖北派留学生赴东洋求学，不能归湖北使用，未免不妥，遂留下蓝天蔚等三名在湖北带队教操。
留在湖北的蓝天蔚，担任武昌高等学堂、湖北将弁学堂教习，兼任湖北营务处师参谋所咨议。次年湖北成立常备军两镇，蓝天蔚委为第一镇司令部正参谋。1906年，湖北第一镇改番号为督练第八镇，蓝仍任参谋。10月，清政府在河南彰德举行秋操，分南北两军进行演习。北军以北洋诸镇为班底，段祺瑞为总统官；南军以第八镇、第二十九混成协为基干，张彪为总统官。蓝天蔚任第八镇正参谋官，参加演习。军演结束，时人评论北军“以勇气胜”，南军“以学问胜”，此中应有蓝天蔚赞画之力。1907年，蓝天蔚调充湖北陆军第八镇第三十二标统带兼湖北督练公所参谋。后陆军部派兼充一等咨议官。
1909年，蓝天蔚辞去三十二标标统，经湖广总督陈夔龙奏请，再赴日本陆军大学深造。一年后，蓝天蔚留学回国，经陈夔龙、锡良联名上奏，调任东三省第二混成协协统。1911年，清廷加蓝天蔚陆军协都统衔。东北鼠疫爆发经年，是年蓝天蔚督率兵队，遮断交通，遏绝疫气，颇见成效，东三省总督锡良为其请旨嘉奖。
蓝天蔚很注重士兵教育。早在任职湖北陆军第八镇第三十二标时，蓝在镇司令部设自习室，讨论行伍之事；利用操课时间，对本标官兵讲述改革的重要，并“大展其革新之志”，出其所学，手订该标教育方针、内务规划，并刊印《教育杂志》。在辽东，蓝部驻军北大营，曾有记载“该协中士某入城采买，日本警察无理干涉其行动，该中士以一人打伤十余人，本人竟能安全回部。时日领出而交涉，蓝复，此种士兵小冲突，谈不到交涉，否则，就约定地点，我们来干一下子亦可。而日本竟亦无可如何。蓝并将该中士立即升为司务长。由是而全军士心一振，对蓝亦愈有相当信仰”。
经日俄战后，日方势力渗透甚深，东北满铁沿线俨然成日方国土。蓝天蔚虽留学日本，但自有爱国热肠。1910年日军步兵第二十二旅团在奉天铁岭举行联合演习，蓝天蔚要求对方中止演习，并以本国演习为由，率队径直穿越日方演习区域，引得日方愤愤然：“蓝天蔚（原日本留学生）夙抱排日思想，事事物物皆与帝国举措、行动相反对。”
治军辽东，统兵一方，蓝天蔚踌躇满志。他平生绝少作诗，然而一首《夜归北大营》一书再书，足见其当年情怀。诗曰：
无边积雪溶辽水，此夜轻骑返大营。
天地昏昏人尽睡，风尘仆仆我孤行。
明星尚有两三点，野犬频来断续声。
下马入门情更远，手提长剑待鸡鸣。
章太炎评论蓝天蔚“任至偏将清廷不知忌，同志不以为疑”，既说明蓝天蔚恪尽军人职守，才干突出，也说明他对军中革命分子多加掩护和帮助，有同志之谊。1903年，先期回国的吴禄贞假座武昌花园山的孙茂森花园举行聚谈，结交有志青年，宣传革命思想。蓝天蔚当年年底回国，住武昌月余，有记载他参加了聚谈活动。花园山聚会解体后，以组织形式继之而起的革命团体是科学补习所，蓝天蔚为之隐护。1904年黄兴因举行长沙起义事泄，遭行文通缉，在沅江船上，遇蓝天蔚，蓝自告奋勇，力保黄兴安全经过汉口。1906年革命团体日知会成立，蓝天蔚常常前往日知会参与会谈，捐助经费，暗报消息，庇护会员。同志季雨霖等辱骂第八镇统制张彪，蓝天蔚先出资让季等逃出鄂境，以避其祸，再请张彪按名通缉，以息其怒。彰德秋操期间，熊十力运动革命，为当局侦知，蓝天蔚也暗中相告，助其安然远走。
1911年 10月10日，武昌起义猝然爆发，当时清政府正紧锣密鼓筹备永平秋操，未及举行，即宣告终止。，拟参加会操的张绍曾所部第二十镇未回原防，驻止滦州，经与蓝天蔚、卢永祥等相约，借机提出立宪要求。10月27日，由张绍曾、蓝天蔚等联名的十二政纲奏呈清廷，是为“滦州兵谏”。奏折指出武昌起义是“政治之无条理及立宪之假筹备所产出之结果”，提出保皇帝万世一系，开国会、定宪法，保民权，成立责任内阁，废苛政，扩大国会权力等一系列政治改革主张。与政纲相配合，张、蓝等将北洋陆军第三、五、二十镇与第二混成协联合组成“立宪军”，以兵力“策宪政之进步”。滦州兵谏震动京师，清廷下罪己诏，允张、蓝所奏，五天之后，清政府颁布立宪十九信条，十九信条包含蓝天蔚等人所奏的大多数条文。奏纲入京后，清政府即命吴禄贞宣抚张、蓝。吴乘此良机，与张、蓝等密议，以滦州张部为第一军，奉天蓝部为第二军，吴部为第三军。第一军由滦州趋丰台，第三军由保定趋长辛店，第二军作后援队，策划既定，分别实行，共图推倒清廷。
蓝天蔚整顿部队，拟应约率部出关，部队赶到车站，车辆已为袁世凯、赵尔巽设计遣去，出关不利。而此时吴禄贞在石家庄被袁世凯派人暗杀，张绍曾被清政府褫夺兵权，蓝天蔚闻信之下，只身赶赴滦州，力劝张起兵，然而张已无意于此。蓝只得返回奉天，另做打算。
蓝天蔚欲挟赵尔巽在奉天响应武昌起义，宣布独立，然而赵尔巽坚持不允，并急调张作霖率防营入城。在谘议局开会讨论独立时，张作霖公开反对并持枪恐吓，新军几位高级军官也不赞同独立，最后成立奉天国民保安会，赵尔巽为会长，吴景濂、新军协统伍祥祯任副会长，蓝天蔚被排挤、监视，失去对所部的控制。清廷旋即撤销蓝天蔚协统之职，赵尔巽以“派赴东南各省考察”为名，礼送蓝天蔚出境，潜消革命。
蓝天蔚离开奉天抵大连，在报纸上向赵尔巽发表公开信，表明革命心志，劝赵随大势，顺舆情，宣布东三省独立，并劝说皇室禅位。东北革命同志公推蓝天蔚为关东临时大都督，东三省各地党人闻讯，即以蓝天蔚都督名义四处起义。
