袁世凱到任後，認定義和團為“左道邪教”，到處拆鐵道，拔線杆，破壞了社會安定，一改毓賢的處理方針，驅趕拳民，令其在山東無法立足，逃往天津、北京一帶。慈禧太後卻認為民氣可用，便縱容義和團。
第二年，爆發了八國聯軍戰禍，山東在袁世凱治下則維持穩定，並且加入東南互保，使山東免遭戰禍亂。1901年11月，繼李鴻章署理直隸總督兼北洋大臣，次年實授，袁世凱一躍而成為中外所矚目的實力人物。
《辛醜條約》簽訂後，清廷迫於內外形勢，施行新政。袁世凱表示極力擁護，並在保定編練北洋常備軍。
第二年，清廷在北京設立練兵處，慶親王奕劻為練兵大臣，袁世凱任會辦大臣，掌握實權。創辦各種武備學堂，並聘請大批日本軍官擔任教習。
至1905年北洋六鎮編練成軍，每鎮一萬二千五百餘人，除第一鎮係滿族貴族鐵良統率的旗兵外，其餘五鎮都在他的控製之下，重要將領幾乎都是小站練兵時期的嫡係軍官。
同時，袁世凱還兼任督辦電政大臣、督辦鐵路大臣及會議商約大臣。在此期間，他在發展北洋工礦企業、修築鐵路、創辦巡警、整頓地方政權及開辦新式學堂等方麵，都頗有成效。
通過辦理新政，袁世凱得以“內結親貴，外樹黨援”，很快形成了一個以他為首的龐大的北洋軍事政治集團。袁世凱大力襄讚新政，包括廢科舉、督辦新軍、建學校、辦工業等，第一支中國警察隊伍亦於天津成立，也籌劃修建了中國第一條自主建造的鐵路京張鐵路。
袁世凱北洋集團勢力的擴張，對掌握中央政柄的滿族親貴集團的世襲地位構成嚴重威脅。皇室親貴煽動一些禦史上疏屢彈劾袁世凱權高勢重，甚至預言將步曹操、劉裕後塵。1906年，袁主動辭去各項兼差，並將北洋軍一、三、五、六各鎮交陸軍部直接管轄。1907年，又被調離北洋，到北京任軍機大臣兼外務部尚書，成為中樞重臣。
1908年是中國帝製經曆劇變的一年，這一年的11月，光緒帝和慈禧太後相繼病死，年幼的溥儀繼位，改元“宣統”，其父載灃為攝政王。
載灃因為反對袁世凱的很多新政措施，更因為戊戌政變中反複無常一事，對袁世凱非常痛恨，成為攝政王後立即解除袁世凱的官職，袁世凱便稱疾返回河南，最初隱居於輝縣，後轉至安陽。
袁世凱在此期間韜光養晦，暗地裏仍關心政事，等待時機複出。被解職的袁世凱回到了河南安陽的洹上村，過起了賦閑垂釣的生活。
1911年10月10日武昌起義，1911年11月1日清廷宣布解散皇族內閣，任命袁世凱為內閣總理大臣。此時清廷頗有借助袁世凱指揮新軍，鎮壓起義軍的想法，但是已經是強弩之末了。
袁世凱上任後，一麵以武力壓迫南方革命，另一方麵暗中與革命黨人談判。革命黨人也認為袁世凱是能領導中國的政治領袖。12月29日，南方十七省選出孫中山擔任中華民國第一任臨時大總統，1912年1月1日在南京宣布民國成立，孫中山就任。
當時革命黨節節敗退，武漢三鎮已被袁世凱北洋軍攻下兩鎮。1月16日，袁世凱回家路上，在東華門丁字街，遭到同盟會京津分會組織的炸彈暗殺，炸死袁衛隊長等十人，袁世凱幸免於難。
為了結束南北對立，1月25日，袁世凱及各北洋將領通電支持共和。2月12日，袁世凱逼清帝遜位，隆裕太後接受優待條件，清朝對中國的統治宣告終止。
2月15日，南京參議院正式選舉袁世凱為臨時大總統。依據中華民國臨時約法，改總統製為內閣製，大大削減袁世凱的權力，但袁堅持於3月10日在北京就職。