1901年袁世凱上奏《山東試辦大學堂暫行章程折稿》及光緒皇帝的朱批
義和團在山東的排教行為,引起歐洲各國不滿,1897年11月德國藉口巨野教案,武裝侵占膠澳地區後引起連鎖反應,俄、英、法等競相效尤,紛紛爭占租借地。在此期間,袁世凱先後向山東巡撫張汝梅[19]、北洋大臣直隸總督王文韶[20]、代理營務的徐世昌[21]出謀劃策,預籌戰備。袁世凱提出的建議促使清廷認識到山東局勢的嚴重性。1899年5月1日,榮祿命令袁世凱和聶士成各率所部,開往山東境內演習。袁世凱此行的目的,公開宣布的是「藉以彈壓匪類,保護教民」[22],實則是遏制德軍。[23]
1901年袁世凱上奏《山東試辦大學堂暫行章程折稿》及光緒皇帝的朱批
義和團興起于山東後,歷任山東巡撫李秉衡、張汝梅和毓賢在不同程度上同情並間接或直接地支持義和團,毓賢尤為顯著,既要防止德國等列強繼續入侵,又要防止民教糾紛引起教案。列強入侵清國,嚴重影響治下中國人生計,導致反抗出現,進而引起教案,而教案又是列強宣戰,進行擴張的出師之名。對此局勢,毓賢無力駕馭,只因懼怕洋人,所以煽動民眾鬧事。[24]這引起列強對他的不滿。1899年12月5日,美國公使康格徑向總理衙門提出,要求撤換毓賢,以平息山東民教糾紛,美國公使稱:「假如沒有足夠武力的話,可把天津操練得很好的軍隊調去協助」[25],不點名的推薦袁世凱代替毓賢。此意見亦符合慈禧太后及榮祿罷免毓賢、任命袁世凱的想法。12月6日,袁世凱被任命為署理山東巡撫。1900年,八國聯軍之役爆發,山東省在袁世凱治下則維持穩定,並且加入東南互保。
1901年李鴻章去世,袁世凱接任直隸總督、北洋大臣,成為疆臣之首、北洋之主,同年他順利從八國聯軍手中接收天津。任直隸總督期間,袁世凱大力襄贊新政,包括廢除科舉、興辦學校、督辦新軍、發展實業、獎設工商等。1901年上奏呈請建立山東大學堂(今山東大學前身),後來參與到北洋大學(今天津大學前身)的建設中,他一手創辦的北洋軍醫學堂成為今天中華民國最高層級的軍醫學校國防醫學院。由他倡導的北洋新區,是中國地區率先採用西方現代都市計畫理念而建成的城市新區。袁世凱以小站練兵為基礎,在保定編練北洋常備軍六鎮,後改稱為北洋陸軍重新編制,總兵額達7萬人。1905年10月末,袁世凱在河間府舉行河間秋操,為中國地區歷史上首次大規模現代化正式野戰演習。1906年又舉行了彰德秋操,中外矚目。
1898年政治改革因守舊勢力的強烈反對而未能推行。幾年後,立憲聲浪風生水起,慈禧太后於1906年9月1日宣布預備立憲,而領導這次政治改革的人正是掌握北洋大權的袁世凱。經過月余準備,由袁世凱主導的官制改革方案出爐,因對滿清親貴不利,又遭反對。慈禧又改換其他大臣繼續制定方案,最終形成對滿人官員有利的方案。[26]1907年丁未黨爭中軍機大臣瞿鴻禨被罷黜,林紹年請辭,因而袁世凱與張之洞替補調入朝廷,任軍機大臣,成為中樞重臣。但同時也讓他疏遠軍事,有明升暗降之嫌。同年,在袁世凱的運作下,中國地區第一支新式警察隊伍,及中國地區歷史上最早的近代議會組織-天津議會,均正式成立於天津;同時,袁又下令直隸各州試驗地方選舉、地方自治和司法獨立。1908年光緒帝、慈禧太后相繼去世,溥儀繼位,醇親王載灃攝政。載灃升任攝政王後,因為反對袁世凱的很多新政措施,於是解除袁的職務,知道形勢不利,袁決定稱疾返回河南,最初隱居於輝縣,後轉至彰德府洹上村(今河南省安陽市)。在此期間,袁韜光養晦,隱居時仍關心政事。