1900年，八國聯軍侵華，袁世凱在山東率兵自保，按兵不動。7月20日，八國聯軍侵占北京，榮祿的武衛軍前、後、左、中四路幾乎全部潰敗，聶士成戰死。袁世凱的武衛右軍絲毫無損，戰爭結束時，袁世凱所掌控的兵力已超過原來新建陸軍的兩倍以上，實力得到進一步發展。
1901年，直隸總督兼北洋大臣李鴻章因勞累過度，吐血不止而死。在李鴻章、劉坤一的舉薦下，就在李鴻章去世的同一天，慈禧太後電令袁世凱代理直隸總督兼北洋大臣。1902年6月實授，又賞加他為太子少保。袁世凱成了權傾一時的封疆大臣。
袁世凱出任直隸總督兼北洋大臣以後，仿照武衛右軍編製創建北洋常備軍右鎮，後又續編為5個鎮和1個京旗常備軍。每鎮轄步兵兩協、四標、十二營約12500多人。兩鎮為一軍。
李鴻章死後，淮軍群龍無首。袁世凱在接管李鴻章在北洋經營數十年的官辦企業的同時，一並把他的幕府班底也網羅過來。主要有：
楊士驤，安徽泗州人，進士出身，李鴻章的親信幕僚。袁世凱奏舉他為直隸布政使、山東巡撫。
楊士琦，楊士驤之弟，袁世凱讓他充任洋務總文案。
孫寶琦，浙江杭縣人，長期為李鴻章屬吏，袁世凱奏舉他任駐法、德公使。
趙秉鈞，河南汝州人，擅長緝捕，袁世凱委派他創辦巡警。
此外，還有梁士詒、胡惟德、陳壁、吳重熹、齊耀琳、朱家寶、張鎮芳、周學熙、孫多森等。
這些淮係官僚有著豐富的政治經驗，得到袁世凱的提攜後，他們對袁感恩戴德，誓盡肱股之力，使得袁世凱的勢力得以迅速擴大。
1901年，清政府決定廢除綠營製度，在全國範圍內編練三十六鎮新式陸軍，袁世凱於1902年6月在保定成立北洋軍政司（後改稱“督練公所”），自兼督辦。同年底，朝廷任命袁世凱為京旗練兵大臣，負責北方各省的新軍訓練。
1903年4月，榮祿病死，慶親王奕劻入軍機為領班大臣，掌握政府實權。奕劻與袁世凱素來交好，朝政方麵更加倚重袁世凱。1903年12月，清廷成立了中央練兵處，統管全國的練兵。奕劻為總理練兵大臣，袁世凱為會辦大臣。袁世凱自此掌管全國的軍製和軍餉。
1905年，袁世凱把北洋陸軍編為六鎮，共約7萬人，擁有全國最精良的裝備。除第一鎮是旗兵外，其餘五鎮的重要骨幹幾乎都是小站練兵時袁世凱的得力幹將：第一鎮統製先後為鐵良、鳳山、何宗蓮；第二鎮統製先後為王英楷、馬龍標、張懷芝、王占元；第三鎮統製先後為段祺瑞、段芝貴、曹錕；第四鎮統製為吳鳳嶺；第五鎮統製先後為吳長純、張永成、張樹元；第六鎮統製先後為王士珍、趙國賢、段祺瑞。當時擔任協統的有雷震春、陳光遠、李純，擔任標統的有王占元、盧永祥、鮑貴卿、王懷慶、田中玉、楊善德、孟恩遠、唐天喜、王振畿、趙玉珂、王同玉等，擔任營管帶的有何半林、陸錦、李長泰、李厚基、施從濱、閻相文等。
此外，1902年宋慶死後，武衛左軍（前稱毅軍）也逐漸由薑桂題接管。袁世凱也把它納入北洋係統。
在編練新軍的過程中，袁世凱還創辦了一批新式陸軍學堂，如行營將弁學堂、北洋武備速成學堂、保定陸軍小學堂等。通過這些學堂，袁世凱培養了一大批具有現代軍事觀念的中下級軍官，成為北洋軍隊的骨幹力量。
至此，北洋軍已由最初的7000多人增長到八九萬人，成為清王朝新軍的勁旅。隨著北洋軍的擴張，逐漸形成了以袁世凱為領導的軍事政治團體——北洋集團。
中國是傳統的農耕大國，自古有金秋時節閱兵的慣例，稱為“秋操”。這個季節，正好是一年中的農閑時節，糧食收獲歸倉，民眾有飯吃，草盛馬肥，軍糧也不愁。1905年，清帝國在河北河間舉行了“河間秋操”，這是晚清陸軍參演人數最多的一次閱兵。