袁世凱得到重用，徐世昌的仕途就更加平坦了。不久，徐、袁二人因平定了山東的“匪亂”，促使清廷和德國議和，立下了不小的功績，袁世凱授命直隸總督兼北洋大臣，徐世昌也因此得到了更多接近慈禧的機會。憑借出色的才華和眾人的推舉，1906年，徐世昌終於得到了大展拳腳的機會——被朝廷派往東北治理三省之亂。
東北地區作為滿族的發源地和蓬勃地，曆來受到清朝統治者的重視。順治十年（1653年）以後，清政府為了抵禦沙俄的入侵，維護“龍興之地”的地位，設奉天、吉林、黑龍江三將軍，以軍、政一體的模式對東北地區實行封鎖統治，這樣一來，盡管在一定程度上使東北地區的資源得以保存，但卻極大地限製了東北的發展。清朝初年，大量漢人從東北逃亡，耕地荒廢，“敗瓦頹垣，沃野千裏，有土無人，全無可恃”。
19世紀末，來自沿海的列強入侵令清政府應接不暇，沙俄趁機侵略東北，與清廷先後簽訂了《天津條約》、《璦琿條約》、《北京條約》三個不平等條約，使東北丟失了一百四十多萬平方公裏的領土。甲午戰爭之後，日本也趁火打劫，占領了遼東半島等地，大量城鎮成了邊疆防禦的城堡，人煙稀少，沒有商業中心，隻有“鴉片是曆年進口的大宗貨物”。
1906年9月，朝廷以查辦“目的事件”為由派徐世昌前往東三省，實際上是命其對東北三省政治、經濟、民生等各個方麵進行考察。徐世昌一行在東北曆時三個月、行程數千裏，終於在當年12月初返京，向朝廷提交了一份數十萬字的報告，針對東北現存問題提出了非常翔實的解決方案。第二年三月初八，徐即以東三省總督、欽差大臣的身份前往東三省。這一次，他終於從袁世凱的背後走出來，成了幕前的一把手。
基於對東三省的了解，徐世昌到任以後做的第一件事就是改革政治體製、大規模收權。他收回三省將軍至高無上的統治權，在各省設行省公署，各設總督一人統管行政事務，而三省將軍府的事務則全部收歸三省總督之下，也就是說，政治體製改革之後，徐世昌基本上已經成為東三省之王，擁有統領東三省的最高權力。
實際上，在徐世昌前往東北之前，他和袁世凱已經感到北洋集團與清朝貴族之間的矛盾越來越尖銳，後來袁世凱被罷免回老家療養，由於徐獲得了東北三省統治權，為北洋勢力的向北轉移提供了良好的機會，才使得北洋勢力未被消滅。
徐世昌對東三省的吏治進行了整頓。他在任期間，不拘一格聘用人才，促進了大量外地人才的湧入；整頓官場風氣，嚴厲打擊貪汙腐敗，上任幾個月間查處數十件貪案，上百貪官被革職查辦，一時間東北風氣純明，徐的雷厲風行也譽滿天下。
徐世昌接手東三省時，東三省財政均處於赤字境地，幾近破產。他上任後，整理財政，設立銀行，鼓勵實業，引進外資，不到一年就把東三省的財政爛攤子收拾妥當。在徐世昌的努力下，幾年內，東三省官辦銀行在國內開設分號七十餘家，商辦銀行開設十數家，促使中國成為最早加入世界銀行組織的國家之一。
徐世昌在東三省的功績是全方位的，他主張廣開商埠，鼓勵外貿互市，鼓勵發展農業、實業，興辦近代教育，建立了沿用至今的巡警製度，並在主權問題上對日、韓、俄保持強硬態度，暫時性地保護了我國領土的完整。在東北，徐世昌的政治能力得到了全方位的鍛煉，也正是有了這些基礎，才使他日後成為中華民國大總統變得順理成章。
時局撲朔，兩次引退
光緒三十四年（1908年）11月14日，光緒帝重病而故，第二天，與光緒“敵對”了半生的慈禧太後也隨之離世，搖搖欲墜的清王朝，一下子落到了溥儀的身上。溥儀繼位之後，他的父親載灃登上“攝政王”之位。載灃向來反對袁世凱，尤其維新變法一事，載灃一直懷疑是袁世凱出賣了光緒，才導致光緒遭到被太後軟禁的下場。為此，載灃一旦攬權，就立即解除了袁世凱在朝中的職位。袁世凱也深知常在朝中對自己不利，很識趣地回河南老家休養。1909年，新疆道監察禦史江春霖彈劾慶親王，徐世昌也受到牽連，朝廷將其降格為郵傳部尚書，袁世凱休官在家，徐在朝中孤立無援，無奈之下隻能靜觀其變。
很快，機會就來了。宣統三年（1911年），一場革命的暴風驟雨席卷清朝。10月10日，武昌起義爆發，清朝的大半領土沉浸在革命黨的激情中，各省紛紛宣布獨立，人們等待已久的變革終於到來。沒有了慈禧和袁世凱的朝廷，在革命浪潮麵前顯得惶恐不安。
旁觀者清。徐世昌就是一個善於旁觀的人，他沒有深陷在清朝元老的身份裏無法自拔，也沒有在革命的浪潮中隨波逐流。溥儀年幼，載灃無能，他清楚地意識到，清朝氣數已盡，擺在眼前的隻有兩條路，要麼加入革命黨的行列，要麼加入立憲派的陣營，不過在這之前，他必須幫助自己的好兄弟袁世凱再次出山。