1906年学成归国后，受丁惟汾等人的委托，去青岛主持《晨钟》杂志 (出版于日本东京，由蒋衍升主编) 在国内的发行事务，并与教会相结，广聚豪杰，厚集其力，决定创建同盟会的活动机关震旦公学，很快使青岛成为革命党人的一个活动中心。后应同盟会浙江主盟人秋瑾女士的邀请，栾星壑南下参加南方武装举义的秘密活动，往来于浙、苏、皖三省之间。1907年，秋瑾、徐锡麟蒙难后，栾星壑改而北上奉天 (今沈阳) ，并很快成为徐镜心 (时在《盛京时报》任主笔) 的得力助手。曾为《盛京时报》撰写过一批有强烈反响的文章。

　　1909年(宣统元年)春，同盟会总部派丁惟汾回山东，密谋举义。栾星壑接丁惟汾召其回鲁议事的信后，欣然应召，向丁惟汾等提出了“山东起事，必先取烟台”的建议，并分析到：“彼时，即可断省城之左臂，又可北连辽东，西进济南，钳击京沽，直迫京师”。并承担起谋取烟台的组织领导重任。以先期派回烟台的肖廷枚(栾星壑的表亲)和当时在烟台《渤海日报》担任主笔的李凤梧 (栾星壑的同乡，亦同盟会员，留日学生)等为骨干，着手革命力量的组织发动工作。

　　1911年10月10日武昌起义的消息，极大地鼓舞了栾星壑等在烟台活动的同盟会员，并促使他们加快了举义的步伐。同月底，以《渤海日报》刊出“黎元洪致山东人民公开信”为开端，烟台街头巷尾随即出现了“告我同胞，速举义旗，协助民军，驱逐满虏”为内容的标语，顿使登来青道道员徐世光惶惶不可终日。

　　11月12日晚，栾星壑、杨德盛、王耀东等革命党人先会集在杨德盛家，共同议定当晚10点钟后，大家分头行动。当第一步取得海防营响应后，身任副总指挥的栾星壑便亲率数十人直取道署。11月13日凌晨，烟台起义成功，参加起义者被称之为“十八罗汉”，当日成立山东军政府。14日改为军政分府。栾星壑、李凤梧任参谋。济南取消独立后，革命党人主张西进讨伐，而新任军政分府司令王传炯有叛变迹象，栾星壑等人遂赴上海请兵，并由丁惟汾、谢鸿涛进而谒见大总统，并请派胡瑛为山东军政府都督，因胡瑛时为南北议和代表，大总统暂派杜潜行都督事，上海陈其美派刘基炎率一团沪军与丁惟汾、蒋衍升、栾星壑、张传一北上，待大总统再派蓝天蔚、商震率5艘军舰最终平定叛乱后，1912年3月，胡瑛大都督在烟台建立了山东军政府，栾星壑任军政府执法司司长。