民国五年（1916年）3月20日，冯国璋、张勋、李纯、靳云鹏、朱瑞等联合各省密电袁世凯请速取消帝制。众叛亲离的状况使袁世凯不得不面对现实。
3月21日，袁世凯电邀徐世昌、段祺瑞、黎元洪來京商议取消帝制之事。当日，几人商议的结果是：一、撤销承认帝位案，取消洪宪年号；二、召开代行立法院参政院的临时会，以便取得取消帝制的法律根据；三、以徐世昌为国务卿，陆征祥退为外交总长；四、任段祺瑞为参谋总长以代久未到职的冯国璋；五、请黎、徐、段三人联名电劝西南护国军停战议和，如果他们同意，拟任蔡锷为陆军总长，戴戡为内务总长，张謇为农商总长，汤化龙为教育总长，梁启超为司法总长，熊希龄为财政总长，以满足进步党人的政治欲望。
3月22日，袁世凯再次任命徐世昌为政事堂国务卿，并申令撤销帝制案，由徐副署并发表：代行立法院转推戴事件，予仍认为不合时宜。著将上年十二月十一日承认帝制之案，即行撤销，由政事堂将各省区推戴书，一律发还参政院代行立法院转发销毁。所有筹备事宜，立即停止。第二日，袁世凯再次申令所有洪宪年号应即废止，仍以当年为中华民国五年，并于当天任命段祺瑞为参谋总长。但段并未就职，袁氏的众叛亲离已显而易见。
同日，徐、段相商于黎元洪决定以三人名义致电西南“帝制取消，公等目的已达，务望先戢于戈，共图善后”。
袁世凯想要退位并重新任中华民国总统的想法并没有得到独立各省的承认，甚至一部分袁氏的北洋老部下也不再无条件支持他们的老上司了。
徐世昌为了挽救北洋集团内部的分裂，还致电北洋著名将领冯国璋：“元昌以息事宁人为念，取消帝制，若有不体此意，恣谋独立者，皆自绝生成，应予诛伐，而我同胞亦应戮力同心拱卫中央”。
袁世凯
但无奈，冯国璋对此置之不理。老部下尚且如此，西南独立各省领导人物更是对袁总统无法相容。28日，徐世昌通电独立各省征求意见，并通电未独立各省，力图维持当地治安。蔡锷旋即复电称：“以法理言，项城承认帝位时，己有辞退总统之明令。是国会选举之效力，已无存在。此时继续旧职，真无根据。以情势言，项城身为总统，不能自克，及承认帝位，又不能自坚。一人之身，数月之间，而号令三嬗，将威信之谓何?此后仍为总统，纵使指天誓日，亦无以坚人民之信，则种种防闲之要求，自为理所应有。”
显而易见，护国军的停战条件，便是要求袁世凯速速退位，而并不仅仅是放弃称帝。这样一来，袁氏宣告撤销帝制后，继续当大总统的企图，遭到西南护国力量和全国民众的一致反对，讨袁运动因此持续进行。
于是徐世昌不得不通电恳请康有为、伍廷芳、唐绍仪、汤化龙等人出面，作为袁“总统”与西南独立各省和讨袁势力的中间调停人。同时电邀张謇来京，商议对策。后来，徐世昌考虑到龙济光与陆荣廷是儿女姻亲，想要通过龙济光在陆荣廷面前疏通一下。这一系列的动作均未产生任何实质性的效果。反而康有为、唐绍仪、张謇等纷纷致电世昌，劝袁退位，另觅他人以代袁。但是，袁世凯却固执眷恋总统高位，亦不肯撒手离去。
徐世昌
于是徐世昌鉴于和议不成，公众呼声强烈，局面僵持于此，自己也无力转圜，便无奈向袁世凯请辞，并荐段祺瑞以自代。4月22日，袁世凯正式接受徐世昌辞呈，并任命段祺瑞为国务卿，妄想借段一直未对帝制附和的好名声以及他手中的兵权为自己作最后一搏。但事已至此，加上段祺瑞本就对袁世凯民初以来的独夫做法颇有微词，故段的上任并没有对局势有太大帮助。而时局的发展已经远远超过了袁世凯的控制，南方各省反袁步调一致且反袁战线不断扩大。
4、5月间，山东、湖南、四川、江苏、陕丙、安徽、江西等省陆续爆发了以孙中山等民主革命派领导的反袁起义，从而迫使袁世凯安插在各省的北洋系将军渐渐改变了对袁的拥护和顺从态度，有的甚至宣布独立以自保。5月9日，陕西的陈树藩独立，5月底，袁的宠将四川将军陈宦与湖南将军汤芗铭也先后宣布独立，这给袁氏打击的打击是沉重而致命的。可以想见，心腹爱将在阵前倒戈，袁世凯一时间一病不起，一蹶不振。
进入6月，袁世凯被诊断为患尿毒症，病情急剧恶化。到了5日深夜，整个人己经几近弥留之际。垂危前，袁电诏徐世昌等来京，预备立下遗嘱。按照袁的意思：国事“任黎、段为之，家事唯恐儿子辈处理不当，敢以相托，且乞主持丧务善后。徐世昌慨然许诺，亦一死一生乃见交情也。”
民国五年（1916年）6月6日上午，袁世凯因病逝世，享年57岁。6月28日，徐世昌亲赴河南彰德为盟弟袁世凯主持下葬仪式，并亲书“大总统袁公世凯之墓”。作为朋友，“昌之仕进，世凯提携之；世凯之身后，世昌护持之”。二人自光绪五年（1879年）相识至民国五年（1916年）袁世凯去世，37年的交往，可称作善始善终了。