1917年9月1日，国会非常会议以84票（出席者91人）选举孙中山为中华民国军政府大元帅。孙中山在当日下午举行的大元帅授印礼上致答词时言：“任职以后，唯当竭股肱之力，攘除奸凶，恢复约法，以竟元年未尽之责，雪数岁无功之耻。”同时发表就职宣言，表示“誓竭真诚执行国会非常会议所授予之任务，勉副国会代表国民之期望”。9月2日，国会非常会议又选举唐继尧、陆荣廷为元帅。11日，孙中山任命伍廷芳为外交总长，孙洪伊为内政总长，唐绍仪为财政总长，胡汉民为交通总长，张开儒为陆军总长，程璧光为海军总长，章太炎为大元帅府秘书长，李烈钧为参谋总长，林葆怿为海军总司令。至此，军政府成立的程序过程与行政班底的搭建工作均告完成，南北各有国会与政府的分裂对峙成为事实。
护法军政府成立后，孙中山一方面否认北京国会及政府的合法性，一方面筹划军事北伐计划，争取各地方实力派的支持，希望从法理与事实两方面对北京政府形成压力。9月18日，孙中山发表通电，痛责“段祺瑞主使叛党，蹂躏约法，解散国会”，表示自己“于拥护约法，维持国会，实具牺牲之精神，则除依照《军政府组织大纲》，非至约法完全恢复、国会职权完全行使时，断不废止。其有袭段祺瑞故智，敢与约法、国会为仇者，一息尚存，岂容坐视。”在争取地方支持方面，除了参加“护法”的西南六省外，南方的湖北、浙江和北方的河南、山东、陕西等省均有支持孙中山护法的武装起事。