商震到山西时，正值袁世凯帝制自为引起全国性的反袁风暴，阎锡山有望摆脱羁绊，重振旗鼓之际。因此，理所当然地受到了欢迎和礼遇。原有一个团的建制原封未动，仍由商震任团长，另将杨爱源营补充了进去，以为充实，当然也有监视的成分。商震亦不负阎锡山之厚望，出手不凡。事有凑巧，1917年的7月间，发生了轰动一时的张勋复辟事件。6月，袁世凯死后，阎锡山权衡利弊选择了拥护段祺瑞的立场。7月1日，复辟丑剧登台。7月3日，段祺瑞在马厂誓师“讨逆”。7月5日，阎锡山即派商震率领所部由石家庄北上，参与“讨逆”军事。“讨逆”事关重大，商震部甫入晋军，就奉派出兵，明眼人一看就明白阎锡山意在考验，“是骡子是马，拉出去遛遛”。商震无疑更清楚这一点，所以不敢有丝毫的含糊，接到命令便整装出发，一路北上。在各路大军的同力征讨下，张勋节节败退。7月8日，张勋所部大败于京城外围，张勋坚部城门不出。7月12日，讨逆军下令总攻。商震被委为讨逆军西路第五纵队司令，奉命协作攻城。总攻发起后，各路军次第攻入城内，并乘胜肃清各据点。惟天安门等处尚有复辟军顽固抵抗，炮火甚烈。商震赶到后，急调山炮实施攻击。在炽盛的炮火下，张勋残部渐渐不支，不得不缴械投降，讨逆军取得最后的胜利。商震也因此给阎锡山交上了一份满意的答卷。

    完成讨逆任务后，商震率部返省。8 月，阎锡山于收回旁落的军权之后，进行第一次扩军，将原有的第十二混成旅和由山西巡防营改编的警备队合并扩编为四个混成旅，每旅辖步兵两团，炮兵一营。商震以自己的实力赢得了阎锡山的赏识，升任第一混成旅旅长。

    就在阎锡山着手扩编军队的同时，孙中山在广州召开国会非常会议，发动“护法战争”，领导滇军、粤军以及部分桂军、黔军、湘军、川军等抗击北洋军阀。9月间，湖南发生了零陵镇守使刘建藩宣布独立，联合桂军，倒傅良佐(湘督)。段祺瑞电报阎锡山，命其出兵湖南，援傅作战。阎锡山接到电报后，立即召集紧急军事会议，通报情况，征求意见。当话题转到“派哪一旅去最合适”的问题上时，阎锡山单刀直入，再一次点了商震的“将”：“依我看，启予在外边跑的地方很多，经验丰富，声气也比较灵通，最好是启予去。大家以为怎么样?”大家没有表示反对意见，于是就这样决定了。商震奉命率第一混成旅两个团，外加周玳一个炮兵营，随即开拔，兵发湖南。山西的军队远征到千里以外的湖南，是破天荒的大事。商震以下，所有军官都是兴致勃勃，劲头十足。全部人马浩浩荡荡从太原出发。坐正太火车到石家庄，换京汉车，一直开到汉口大智门车站。商震率部入湘后，接受傅良佐的指挥，在永丰前线与广西军马济、韦永昌部交火。商震晓谕全体官兵：“本旅奉命死守永丰阵地，有敢私言进退者，以军法从事。”军令如山倒，将士全力抗击，坚守阵地十几天不动摇。正当商震激战前线坚守待援的时候，王汝贤、范国璋在长沙发表通电，主张停战撤兵，傅良佐逃走。商震部孤悬永丰，形势危急。在全局情况不明的情况下，商震率部撤出战斗，经湘乡，退入湘潭县城后，被湘军包围缴械。

    商震所部第一混成旅，是阎锡山四分之一的家当，远赴湖南后，阎锡山无日不在关注。听到北洋军失利的消息，阎锡山再也坐不住了，速派副官荣鸿胪、张汝苹先后赴汉口、岳阳一带打探究竟。不日，即有商部全军覆灭的消息传回。阎锡山得信，立即电商返并。商震出发时曾向阎保证得胜回营，不料竟落了个“大将南征胆气豪，缴枪没有打收条”的下场，自觉“无颜见江东父老”;加上湖北督军王占元有意延揽(在湘潭缴械后，商震以下各级军官被解武冈，羁押于基督教青年会中。所幸商震谙熟英语，求得一西方牧师相助，逃至汉口，着手收容旧部)，举棋不定。荣鸿胪、张汝苹探知这一切后，紧急电告山西。阎锡山再派副官长李德懋昼夜兼程，赶赴汉口，面见商震，婉言相劝。“精诚所至，金石为开”，受阎锡山一片诚意的感召，商震毅然排除杂念，返回太原。见到阎锡山，商震面带愧色，主动请罪。阎锡山则不迭声地说：“胜败乃兵家之常”，极力抚慰。并设专宴，接风洗尘。商震有感于阎锡山的知遇之恩，决心死心踏地地在晋军中效力;阎锡山以一个混成旅的代价，换回了一员得力战将。

    征湘归来，第一混成旅的番号保留，商震遵阎锡山所嘱继续收容旧部，建制渐次恢复。1920年3月，出于扩大军工生产的需要，阎锡山将原来的“山西陆军修械所”(建于1914年，以修理枪支炮械为主)与“铜元局”(1917年前后设立，以含铜量99.9%的旧式制钱为原料，用三文制钱改铸可当20文制钱的铜元一枚，在全省范围内流通)合并，组成“山西军人工艺实习厂”。就学识和见识而言，商震在当时的晋军将领中称得上是凤毛麟角。有鉴于此，阎锡山推举商震以第一混成旅旅长兼山西军人工艺实习厂总办。阎锡山的进一步重用，使商震如鱼得水，拳脚大展。实习厂在他的主持下，“改革制度，变更组织，增添设备，新建工厂，”军事工业的规模一步步形成。实习厂成立之初，其16个分厂，职工500余人，机器63部，已能着手制造枪弹和仿造重机枪。至1921年7月，职工增至900余人，机器增至183部。1923年7月，职工增至1840余人，机器增至320部，并新建了无烟药、制酸、制壳三个分厂，其中前两个厂的设备由德国雅利商行订购，于同年9月相继投产。这年7月，阎锡山再次改组军人工艺实习厂，取消总办制，商震虽然没有了明确的职务，但是仍然过问军工事务，直到1927年。在此期间，工艺实习厂继续发展，职工增到11000人，设备增至2300部，月产火炮10余门、冲锋枪900枝、机关枪20挺、炸弹3000余枚。初步形成了规模生产。

    1924年冬，阎锡山为要出兵石家庄阻击吴佩孚北上，故意虚张声势，将原有的十个团改编为十个旅，搭成一个空架子。军队返回太原后，又进一步充实扩编，增加了一个旅，总兵力达到十一个旅;并成立第一、第二两师，分辖第一至四旅。商震升任第一师师长。扩编完毕，樊钟秀来攻，大败晋军蔡荣寿部，经峻极岭进入山西辽县(今左权)。危急之中，阎锡山派商震率第二旅第三团全部、第四团两个营，以及第三旅第五团、炮兵一营、手掷弹一营，向辽县星夜驰援。商震从一位美国牧师处借来一部汽车，率先到达前线。鉴于形势危急，他果断地处决了十七名临阵败逃的官兵，使军纪为之一振。然后挥师猛攻寒王镇樊军总部，樊军全线溃败，撤回河南。与樊钟秀之役，一扫征湘失败带来的阴影，商震作为一员战将，擅打硬仗的形象重新树立了起来。