徐世昌到小站後不久，袁世凱因為濫殺無辜及克扣軍餉被告發，榮祿和陳奎龍奉旨前來查辦。如果袁世凱這時被朝廷撤職，那麼他今後的宏圖偉略就再也無法施展了。幸虧徐世昌及時出現，在陳奎龍和榮祿之間巧妙周旋，才使袁世凱化解了這場危機。
通過這件事我們可以看到，徐、袁二人結盟並不是徐世昌投靠袁世凱，而是兩人互相依靠、互相扶持，徐世昌通過袁世凱得到了提拔，政治地位不斷提高，而袁世凱也因為有了徐世昌，才避免了很多麻煩，袁對徐一直心存感激，以至於袁在企圖稱帝複辟時，還一度想得到徐世昌的支持。
助袁叛光緒，巧治東三省
1895年春夏交替之際，康有為的一封《上皇帝萬言書》在京城上層官僚之間傳得沸沸揚揚。當時，甲午中日戰爭剛剛結束不久，中國的戰敗以及割地賠款等不平等條約的簽訂，使全國上下沉醉在大國美夢中的人們驚醒。伴隨著通商口岸的開放，一些有誌之士得以接觸到更多的西方思想和技術，這使他們產生了求變圖強的願望。在這些有識之士當中，以康有為、梁啟超為代表的維新派希望通過對內的改革，如實行君主立憲、發展實業、改革軍事教育、改變社會風氣等，實現救亡圖存的目標。在維新派看來，中華大國已經到了岌岌可危、非變不可的時候，必須采取行動效法西方，才能救亡圖存。
這段時間，袁世凱從朝鮮戰場歸國不久，在北京閑居，之後被任命為督辦軍務處行走，而徐世昌已經在朝中擔任翰林編修這個閑職多年，對康有為的上書行為自然十分關切。
康有為的萬言書很快在同僚之間傳開了，他對時局分析透徹，言辭懇切，得到了很多人的支持，然而，這封備受關注的奏折卻三次被督察等部門拒絕上呈，怎麼也遞不到皇帝麵前。徐、袁二人對康有為的魄力和膽識十分欽佩，幫助康有為通過督辦政務處第四次上呈奏書，結果仍舊失敗了，不過，通過這次交流，徐、袁二人對康有為的認同感更深了一步。
盡管史料沒有記載，但我們仍然可以猜測，徐、袁二人在看了康有為的《上光緒皇帝萬言書》之後倍受鼓舞，他們仿佛看到了挽救清朝的希望，以至當康有為成立強學會時，徐、袁二人不僅加入以示支持，還為其四處籌款募捐。
然而，募捐歸募捐，徐世昌始終認為變法這件事不靠譜。他在朝中九年，深知帝、後矛盾之深，朝廷利益紛爭之複雜。光緒勢單力薄，以一個光杆皇帝和幾個意氣書生之力，怎能對抗羽翼豐滿、黨朋眾多的慈禧太後？他認為康有為等人的努力不過是“畫人以回天，無可望矣”，他努力克製著內心的激情，也勸說袁世凱不要輕易表明立場。
1898年6月11日，光緒帝頒布《定國是詔》，決定采納維新派的建議變法圖強，而這場轟轟烈烈的變法運動僅僅持續了一百零三天，最終在慈禧勢力的鎮壓下以失敗告終。有人認為，在這其中，袁世凱的叛變是光緒變法失敗的重要原因，其實，在袁世凱背後，徐世昌這個軍師起到了不小的作用。
光緒頒布《定國是詔》前後，慈禧已經布下天羅地網，準備在是年10月與光緒同去天津閱兵時將其廢除。當時袁世凱正在天津小站主持練兵，光緒希望得到袁世凱的幫助，曾多次派親信前去遊說。袁世凱正值盛年，意氣風發，也曾希望通過一種新的嚐試，改變中國被列強瓜分欺淩的命運。他表麵答應光緒，在變法當天出兵支持，也曾書信給徐世昌，稱“必亡必分之道，必須大變法”——清朝已經到了即將滅亡的時候，必須進行徹底的改革了。
9月14日，光緒召見袁世凱，徐世昌陪同一起回京。18日夜裏，譚嗣同夜訪袁世凱，再次勸說袁世凱勤王護駕，袁世凱滿口答應。第二天，徐世昌為了探聽虛實，親自到康有為寓所，“相與痛哭以感動之”。9月20日，光緒再次召見袁世凱，這一次，袁世凱似乎已經站在了光緒一邊，他言辭懇切地分析了維新派存在的諸多問題，向皇帝提出了不少中肯的建議。
袁世凱本身性格豪爽，不拘小節，自己本身有意報國，如果沒有徐世昌的點撥，袁恐怕也會和康有為、譚嗣同一樣丟掉官位甚至性命。徐世昌隻比袁世凱大四歲，但比起袁世凱來，他的城府似乎深很多。
盡管徐世昌也深受維新派鼓舞，但他仍能冷靜、理性地為袁世凱分析當前的局勢：慈禧太後黨羽眾多，深諳政治鬥爭之術，未等光緒下詔，京城外肯定早有重兵臨城；光緒和康有為即使再有救國熱情，也不過是幾個不懂政治鬥爭的書生，和慈禧對抗，簡直就是雞蛋碰石頭。你我在朝中多年，最終的使命是什麼？就是救清朝於將亡，救百姓於水火。一旦投靠了光緒陣營，很可能理想沒有實現，就先葬送了自己的性命。
在徐世昌的勸說下，袁世凱動搖了。當晚，袁世凱奉光緒密旨出宮時恰好撞見榮祿，向榮祿全盤托出事情，9月21日，光緒被軟禁，持續了一百零三天的維新變法就此結束了，而袁世凱則得到了受慈禧重用的機會。