ความจำเป็นต้องปรับปรุงการปกครองมณฑลลาวเฉียงหรือมณฑลพายัพในเวลาต่อมาเกิดขึ้นอีกครั้งหนึ่ง หลังจากที่รัฐบาลไทยต้องยอมยกหัวเมืองเงี้ยวทั้งห้าและหัวเมืองกะเหรี่ยง ซึ่งมีปัญหาวุ่นวายเสมอมาให้แก่รัฐบาลอังกฤษในปี พ.ศ. ๒๔๓๕ และในปี พ.ศ. ๒๔๓๖ ไทยก็เสียดินแดนฝั่งซ้ายแม่น้ำโขงแก่ฝรั่งเศสในวิกฤตกาล ร.ศ. ๑๑๒ ทำให้เขตแดนด้านตะวันออกของมณฑลลาวเฉียงต้องเผชิญกับการรุกรานของฝรั่งเศสตลอดมา ในที่สุดไทยต้องเสียหัวเมืองฝั่งขวาแม่น้ำโขง ซึ่งขึ้นกับเมืองน่านแก่ฝรั่งเศสใน พ.ศ. ๒๔๔๖
การดำเนินงานครั้งนี้มีพระยาทรงสุรเดช (อั้น บุนนาค) ดำรงตำแหน่งข้าหลวงใหญ่มณฑลลาวเฉียงเป็นเวลา ๖ ปี (พ.ศ. ๒๔๓๖ – ๒๔๔๒) และได้ขยายเขตการปฏิรูปออกไปจากเดิมถึงเมืองแพร่และเมืองน่านด้วย ซึ่งในที่นี้จะกล่าวถึงเฉพาะเมืองเชียงใหม่เท่านั้น พระยาทรงสุรเดชจัดการหลายด้านซึ่งสามารถรวมอำนาจเข้าสู่รัฐบาลกลางสำเร็จอีกขั้นหนึ่ง
ด้านการปกครองในระดับมณฑล พระยาทรงสุรเดชริเริ่มจัดตั้งกองมณฑลลาวเฉียงซึ่งเป็นหน่วยงานที่สำคัญมาก กองมณฑลมีพระยาทรงสุรเดชข้าหลวงใหญ่เป็นผู้บังคับบัญชาสูงสุด และมีข้าหลวงรองในตำแหน่งข้าหลวงมหาดไทย ข้าหลวงยุติธรรม ข้าหลวงคลัง ข้าหลวงป่าไม้ และมี ข้าราชการระดับเสมียนพนักงานประจำอยู่ในกองมณฑล รูปแบบการปกครองดังกล่าวจะเห็นว่ามีลักษณะคล้ายคลึงกับการปกครองมณฑลเทศาภิบาลซึ่งจะจัดในสมัยต่อมา ซึ่งอาจกล่าวได้ว่าเป็นช่วงที่รัฐบาลกลางได้เตรียมพื้นฐานที่จะปกครองแบบมณฑลเทศาภิบาลในมณฑลพายัพให้เป็นแบบแผนเช่นเดียวกับมณฑลภายใน และข้อบกพร่องครั้งนี้จะได้รับการแก้ไขในสมัยมณฑลเทศาภิบาล
ส่วนการปกครองในเมืองเชียงใหม่ พระยาทรงสุรเดชตั้งตำแหน่งพระยาผู้ช่วยเสนาทั้ง ๖ ให้ครบทุกตำแหน่ง หลังจากที่ถูกเจ้าเมืองเชียงใหม่ยกเลิกไปในครั้งที่เจ้าพระยาพลเทพเป็นข้าหลวงพิเศษในพ.ศ. ๒๔๓๓ การตั้งเสนา ๖ ตำแหน่ง พระยาทรงสุรเดชใช้วิธีการที่เรียกว่า “อุบายเกี้ยวลาว” โดยเกลี้ยกล่อมเจ้าเมืองเชียงใหม่ให้แต่งตั้งผู้ช่วยเสนา ๖ ตำแหน่งขึ้น ซึ่งประสบความสำเร็จ พระยาทรงสุรเดชดึงตัวข้าราชการที่ทำการในกองมณฑลมาดำรงตำแหน่งสำคัญ เช่น ผู้ช่วยเสนาคลังและ ผู้ช่วยเสนานา ทั้งยังดึงเอาตำแหน่งสำคัญทั้งสองมารวมไว้ที่ว่าการมณฑลลาวเฉียง การกระทำดังกล่าวก็เท่ากับที่ว่าการมณฑลแย่งตำแหน่งและงานต่างๆ ที่ระดับเมืองเคยทำ ซึ่งเจ้านายบุตรหลานเริ่มไม่พอใจเพราะเกรงว่าจะสูญเสียอำนาจต่างๆ ที่มีอยู่อย่างรวดเร็ว และเกรงว่ารัฐบาลจะยกตำแหน่งต่างๆ ไปไว้ ณ ที่ว่าการมณฑลเสียหมดจนกระทั่งตนไม่มีอำนาจหน้าที่จะทำกิจการใดๆ ความไม่พอใจการกระทำของพระยาทรงสุรเดช เป็นสาเหตุให้เจ้านายในเมืองเชียงใหม่ทำหนังสือร้องเรียนนำขึ้นกราบบังคมทูลรัชกาลที่ ๕
การปกครองในเมืองอื่นๆ พระยาทรงสุรเดชจัดส่งข้าหลวงไปประจำเมืองตามลำดับความสำคัญคือ พระยาทรงสุรเดชถือเป็นข้าหลวงที่ ๑ ประจำอยู่ที่เมืองเชียงใหม่ โดยเขตการปกครองรวมไปถึงเมืองลำพูนด้วย รองลงมามีข้าหลวงที่ ๒ ประจำอยู่ที่เมืองลำปางและเมืองน่าน และข้าหลวงที่ ๓ ประจำที่เมืองแพร่ ข้าหลวงที่ส่งไปประจำเมืองจะเป็นตัวแทนของข้าหลวงใหญ่ ทำหน้าที่ให้คำปรึกษาแก่เจ้านายบุตรหลานเพื่อให้สอดคล้องกับนโยบายของรัฐบาลกลาง
อย่างไรก็ตามในช่วงที่พระยาทรงสุรเดชดำเนินการปฏิรูปไม่ปรากฏว่า ได้มีการ เปลี่ยนแปลงในระดับอำเภอ ตำบล และหมู่บ้านแต่อย่างใด คงปล่อยให้มีสภาพดังเดิม การเปลี่ยนแปลงในระดับท้องถิ่นจะเด่นชัดในสมัยที่มีการปกครองแบบเทศาภิบาล
ในด้านการคลัง พระยาทรงสุรเดชรวบอำนาจไว้ไม่ให้เจ้าเมืองเชียงใหม่และเจ้านาย บุตรหลานใช้จ่ายอย่างอิสระ โดยกำหนดให้เจ้าเมืองเชียงใหม่ได้รับเงินผลประโยชน์ (ไม่รวมค่าตอไม้) ปีละ ๘๐,๐๐๐ รูปี ซึ่งในขณะที่ดำเนินการอยู่นั้นเจ้าเชียงใหม่อินทรวิชยานนท์ถึงแก่พิราลัย พระยา ทรงสุรเดชจึงตัดเงินผลประโยชน์ให้เหลือปีละ ๓๐,๐๐๐ รูปี พร้อมทั้งลดเงินเดือนเจ้านายบุตรหลานที่รับ ราชการ และจัดการโยกย้ายถอดถอนบางตำแหน่งแล้วให้ข้าราชการไทยเป็นแทนพร้อมกับเพิ่มเงินเดือนให้
การจัดการของพระยาทรงสุรเดชสร้างความรู้สึกบีบคั้นต่อเจ้านายบุตรหลานในเมืองเชียงใหม่มากจนเกิดการแตกแยกแบ่งเป็นฝ่ายข้าหลวงและฝ่ายเจ้านายบุตรหลาน ซึ่งมีความรุนแรงถึงขนาดแบ่งเขตแดนกัน โดยฝ่ายข้าหลวงอยู่ด้านริมแม่น้ำปิงส่วนเจ้านายบุตรหลานอยู่ในกำแพงเมืองและทั้งสองฝ่ายมุ่งประทุษร้ายต่อกัน สถานการณ์จึงตึงเครียดขึ้นอีกครั้งหนึ่ง รัชกาลที่ ๕ ทรงแก้ไขโดยเรียกตัวพระยาทรงสุรเดชกลับกรุงเทพฯ แล้วโปรดเกล้าฯ ให้พระยานริศรราชกิจ (สาย โชติกเสถียร) ซึ่งไม่เข้มงวดเช่นพระยาทรงสุรเดชขึ้นไปเป็นข้าหลวงเทศาภิบาลแทน และจัดการปกครองแบบมณฑลเทศาภิบาล โดยมีพระยาศรีสหเทพ (เส็ง วิรยศิริ) ดำเนินการปฏิรูป (ธันวาคม ๒๔๔๒ – เมษายน ๒๔๔๓)