清
光绪二十八年(1902年),温寿泉入山西
武备学堂学习,光绪三十年(1904年),被清政府保送赴日本留学,先后在
振武学校和
日本陆军士官学校学习军事,光绪三十一年(1905年)在东京加入中国同盟会。
宣统元年(1909年)毕业归国后,担任
山西大学堂兵学教官。宣统二年(1910年)参加清政府在北京召集留学生的会考后,被提升为山西督练公所
会办兼
陆军小学堂监督。
温寿泉思想进步,立志革命,1911年10月29日太原起义前夕,温曾参加了同盟会会员策动起义的秘密会议,并在起义过程中,派陆军小学堂的学生协同起义军担任太原市面维持秩序的重任。起义以后,他会同
阎锡山等人到
咨议局开会,组织山西军政府,被推举为副都督。11月4日,
吴禄贞和阎锡山在娘子关会晤,组织“燕晋联军”,温被推为联军参谋长,积极谋划,多方努力,贡献良多。
1911年12月12日,
娘子关被清军夺取,温向阎锡山建议,沿
正太铁路各要点,布防再战,抗击清军。但阎锡山不听,放弃太原,向北逃走。温无力防守太原,遂和杨彭龄、
景定成、李鸣风、
张起凤等率队南下。到河津后,温偕同景定成赴陕求援。
运城光复后,河东军政府成立,温以副都督名义行事。
南北议和,阎锡山投靠
袁世凯重返太原,组织都督府,河东军政府分解撤销,调温到太原兼任都督府军政司司长。后被阎排挤,调任北京陆军部中将参议。