刘存厚在由陕回川后，就对川军将领大肆封官升级，委任了11个师长。对北京政府的任命令，默然承认，并电北京政府，承办国会议员选举，表明坚决附北。还向北京政府保委四川高等检察厅检察长，派兵估逼前任交代。刘存厚在成都一个多月时间里，就先后发生了1920年11月26日、1921年元旦两次军队毒打学生事件。1921年1月24日，成都学生联合会通电声讨刘存厚纵兵殴打学生。2月18日，熊克武与所属第1军军长但懋辛，以及第2军军长刘湘、第3军军长刘成勋联名通电，宣布刘存厚自居督军、扩充军队、倾心北庭、阻挠川省自治等罪名，三军联合分路进攻刘存厚。3月22日，刘存厚通电宣布解除靖川军总司令职务，自动下野，被迫离开成都，西走灌县。由护卫营随同，经汶川、茂县，绕道甘肃，重返川北、宁羌，再度流亡。战事平息后，邓锡侯部回驻绵阳，田颂尧部回驻阆中。
到了1922年7月，川军第1军但懋辛与第2军杨森之战爆发。杨森退入湖北，投靠吴佩孚。1923年2月，又爆发了川军一、三军和边防军，与三、七、二十一师之战。吴佩孚趁机援助杨森回川，并令刘存厚部由陕南进兵川北。2月19日，刘存厚部进驻绵阳。4月5日，邓锡侯等占领成都；6日，杨森占领重庆。5月13日，熊克武反攻收复成都。刘存厚和北军向北退走。6月，孙中山任命熊克武为四川讨贼军总司令。杨森等拥戴刘湘出山，担任北京政府任命的川康善后督办。1924年3月，刘湘、杨森等又进入成都。熊克武率领讨贼军退驻遵义。
这时，刘存厚随杨森部坐镇重庆，仍以四川督军自居，并在1月19日通电北京政府，请任命邓锡侯为继任四川督军，杨森为四川省长。3月21日，陈国栋、田颂尧等又向洛阳吴佩孚电挽刘存厚督川。4月21日，刘存厚再次致电吴佩孚请任命杨森为四川省长。5月28日，北京政府令：四川督军一缺，着即裁撤。特派杨森督理四川军务善后事宜。特任邓锡侯为四川省长。特命田颂尧帮办四川军务善后事宜。特派刘存厚为川陕边防督办。特派刘湘为川滇边防督办。6月10日，又特派刘存厚兼四川陆军检查使。6月24日，刘存厚通电宣告撤销四川督军署。至此，最后结束了他七年之久的督军梦，开始穷处川北，做起了地方小军阀。
1924年9月，刘存厚部由陕境分兵从南江、城口等地进驻绶定（今达县）。10月，刘存厚本人由重庆赴绥定，在原靖国军司令部设“川陕边防督办署”，门悬北京政府五色国旗，辖境有绶定、宣汉、万源、城口4县，开始了他在达县近10年的统治。
刘存厚到达县时，只有两个团和一个警卫大队，官兵编制都不足额，总兵力不足5000人。从培石运回吴佩孚支持的3000支意国枪，部队改名川陕边防军后，刘存厚即着手募兵，招安土匪，收编来投靠的部队。逐步扩大到两师、一路，总兵力约25000人。
1927年7月，吴佩孚被北伐军打垮，于13日入夔门，投奔杨森、刘存厚。1928年6月，刘存厚不顾南京政府“讨杨锄吴”的通电，将吴佩孚一行安置在达县与开江交界的檀木场大地主陈济川等的大院居住，并对吴佩孚供应、警戒甚谨。吴佩孚惊魂甫定，愁肠百结，当时曾寄给刘存厚七律一首云：“方寸纠纷俗累萦，无端怅触笔花生；人因落魄寻知己，诗写牢愁见性情。孝水梦回千里曲，蜀山月挂一钩轻；枕边莫恼鸡声恶，催起刘郎趁早行。”刘存厚得诗，十分高兴，对吴更加同情。半年后，他又迎接吴佩孚到离达县城30里的河市坝居住，并在达县城中任吴设置“行辕”，招兵买马，组成3个警卫旅。
1928年10月底，国民政府指定刘湘为川康裁编军队委员会委员长，邓锡侯、刘存厚为副委员长。
1929年春，蒋桂战争爆发，吴佩孚亟想趁机出山。3月12日，吴佩孚57岁生日，刘、吴合谋，大摆寿宴。刘存厚事前发出通启，广为招徕。北洋系段祺瑞、曹锟，以及蒋介石、阎锡山、李宗仁等纷纷派代表祝寿，以窥吴究竟。川省军阀都有厚礼馈赠。刘存厚送寿银5000两。吴佩孚赠送每位客人1本《蓬莱诗稿》，由刘存厚题字，吴的秘书长作序。10月，段祺瑞派代表来河市坝密谋，促吴再起。刘存厚竭诚拥吴出山。
