八月初五日，袁世凯回天津后没有立即向荣禄告密。八月初六日晚，当听到政变消息后，袁世凯以为事情已经泄露，为保全自己，才向荣禄和盘托出了“围园劫后”的密谋。
八月初七日，慈禧太后得知维新派有罢黜太后之意后，恼怒至极，对事件性质的认定有了重大转变，因而下令大肆捕杀维新人士，致使事态扩大。
袁世凯为什么会得到维新派的信任呢？在变法初期，袁世凯与维新志士交往密切，表现出倾向于变法、积极推动变法的热忱。
光绪二十一年（1895）闰五月，当康有为的上清帝第四书苦于投递无门时，袁世凯主动帮忙交给督办军务处，请求当时手握重权的荣禄代递，虽然为荣禄所拒绝，却反映出他对维新志士的态度。康有为因此很感激他。
七月，维新派成立强学会，袁世凯被列为发起人之一，他还捐资作为会金。
十一月，袁世凯受命在天津小站编练陆军时，与维新人士严复等定期相聚，在一起谈论维新事宜。
光绪二十四年（1898）四月，戊戌变法的重要支持者翁同龢被罢官路经天津时，袁世凯冒险派人持函送礼，以示慰问之意。
七月，变法运动达到高潮，袁世凯派徐世昌到北京与维新派联系，并通过徐与康有为、梁启超等不断接触，表示自己对变法事业的关切。
袁世凯对戊戌变法的关心，赢得了维新志士的信任，康有为对袁世凯也有很好的印象，因此，在变法危急时才敢把重任托付于他。经维新派的举荐，光绪二十四年八月初一日，光绪帝在颐和园召见袁世凯，破格提升他为候补侍郎，继续专办练兵事务。第二天，在袁世凯进宫谢恩时，光绪帝夸奖他说：“人人都说你练的兵、办的学堂甚好，此后可与荣禄各办各事。”这其实是在暗示他以后不要受荣禄的节制。
八月初三日，维新派的几位核心人物聚在一起，商议救光绪的办法，其中竟有袁世凯的心腹徐世昌在场。徐是袁的代表，如果不是袁已对维新派做出全力支持的承诺，维新派也不会让徐世昌参加这一秘密活动。
但是，袁世凯作为浮沉宦海多年的政客，他不会不明白，维新势力与守旧势力斗争的双方一边是皇帝，一边是太后。随着两方面斗争的加剧，他越来越感到，自己的立场倾向不仅关系到顶戴，甚至关系到身家性命。也许他内心并不反对变法，但从残酷的政治现实考虑，他觉得光绪帝和维新派的力量远远不是慈禧太后和顽固派的对手。光绪皇帝下了那么多的变法诏书，却基本上停留在纸面上就证明了这一点。经过权衡，他决定投靠后党走升官之路。因此，他被提升为候补侍郎后，对这样的超擢“自知非分”，惟恐引起后党的猜疑，于自己不利，在八月初一日被召见的当天下午，就急急忙忙四处拜访后党权贵人士，如协办大学士、兵部尚书刚毅，军机大臣、户部尚书王文韶等人，进行解释，以表白自己的心迹。
八月初三日深夜，谭嗣同走后，袁世凯一夜未睡，“反复筹思”，知道自己面临着生死抉择，对自己在谭嗣同面前表态说“诛荣禄乃杀一狗耳”的话非常懊悔，生怕谭嗣同会将与他的密谈向后党揭发，这样就使自己牢牢地与维新派捆在一起了。为了保全自己，袁世凯最终下决心出卖维新派。
袁世凯因告密有功，受命署理了几天直隶总督，其新建陆军还得了4000两的赏银。慈禧太后为表示对他的信任，还特准他在西苑门内骑马。此后，袁世凯便以慈禧太后和荣禄为靠山，走上了飞黄腾达的捷径。
当时社会上流传着一首三言歌谣，讽刺了袁世凯这种出卖维新派的做法：
六君子，头颅送。袁项城，顶子红。卖同党，邀奇功。康与梁，在梦中。不知他，是枭雄。
《辛丑条约》签订后，为了维护摇摇欲坠的旧统治，清政府正式发出上谕，开始推行新政，陆续颁布了一系列的法令，包括改革官制、整顿吏治、奖励工商、改革学制、编练新军、派遣留学生等等。
袁世凯赞同“新政”，在山东巡抚任上，他就开始贯彻执行清政府的谕令，并于光绪二十七年（1901）三月，向朝廷提出了筹办新政的10条办法，包括整顿吏治、改革科举、振兴实业、增强军备等等。山东也成了全国最早推行新政的地区。光绪二十七年九月，袁世凯署理直隶总督兼北洋大臣，光绪二十八年五月，改实授，这成为他步入晚清政坛权力顶峰的起点。袁世凯也成了推动新政最重要的人物。
增练新军 光绪二十八年（1902）十二月，清廷任命袁世凯兼任练兵大臣，负责编练新军事宜。袁世凯乘机开始编练北洋常备军，即北洋军。光绪三十一年（1905），编成北洋军6镇，共6万余人。除第一镇外，其余5镇的统制（相当于师长）都是袁世凯的嫡系亲信，统领（旅长）、统带（团长）则都是小站练兵时的旧班底。这样，北洋派系军人自成一个体系，其他势力根本插不进去。通过增练新军，再加上在政界网络培植的许多党羽，逐渐形成了以袁世凯为首脑的北洋军事政治集团。
袁世凯在天津小站编练新建陆军时，就采用德国的陆军建制，军队分步、马、炮、工、辎重各兵种，打破了旧军制不分兵种的框子；每军分设左右两翼，每翼辖二、三营不等。袁世凯在军制方面的改革，揭开了清军编制近代化的序幕，在中国近代军制史上是一个重大的转折。袁世凯还建立了步兵、炮兵、骑兵、德文四所随军学堂及讲武堂、学兵营等，并选派军官赴德国学习军事。同时，配备新式军事武器，采用“练洋操”之类“西法”练兵等。
虽然袁世凯没有受过正规的军事教育，但他自从投效军营后，对军事上的事情都能处处留心。他一方面细心钻研有关操典、战术一类的军事书籍；另一方面，不论部队出操或野外演习，他都跟着观看。袁世凯认为练兵“比起做文章来，到底容易多了”。袁世凯在练兵中，因袭湘、淮军阀的旧习，固守“兵为将有”的成法，把军队紧紧控制在自己手里。
其一，注重幕僚和军官的选拔。袁世凯把那些多年追随他的“家兵家将”，一般都安插在关键位置，以充当爪牙和耳目，例如徐世昌等。又用官禄笼络了一批军事学堂的毕业生，其中包括段祺瑞、冯国璋等。此外，袁世凯一向把自己视为淮军的后继人，为此，他广为招纳淮军旧将，以示自己在延揽人才方面一视同仁。
其二，控制士兵。袁世凯认为练兵的秘诀“主要的是要练成‘绝对服从命令’。我们一手拿着官和钱，一手拿着刀，服从就有官有钱，不服从就吃刀”。他向官兵进行思想灌输，让官兵相信他是大家的衣食父母，只有听命于他，才能升官发财。为了加强对士兵的控制，他还编了《劝兵歌》，对士兵进行政治灌输。在小站练兵时，他对各级军官和幕僚，甚至棚头弁目，几乎都能认识，并且还能大致了解每个人的脾性以及长处、缺点。为了杜绝过去军营中吃空额、冒领等弊端，在每月发放饷银时，袁世凯都亲自点名，按名发给。
其三，笼络幕僚。小站练兵时，阮忠枢在他手下当文案。有一次，阮忠枢告诉袁世凯，说他看上了一个叫小玉的天津妓女，想纳为小妾。袁当即就说，这是有碍军誉的事，严正地予以驳斥。阮见状如此，就作罢了。过了不久，袁说到天津有公事，邀请阮一同前往。下车后，天色已晚，袁邀请阮先去看一个朋友。他们走进一个院门，看到屋子里铺设得异常华丽，堂上红烛高照，并且摆着一桌很丰盛的酒席。刚进入里屋，便见一个丫头一面喊着“新姑爷到了”，一面从里间屋里搀扶出一个新娘打扮的俏丽佳人。阮当时不明就里，如入云里雾里，仔细一瞧，才知道便是自己一直想娶的那个小玉。原来，袁世凯在阮忠枢和他说过之后，就秘密派人给小玉赎了身。等到把事情办妥了，他才领着阮忠枢一同前来。从此，阮忠枢就更加死心塌地地效忠袁世凯，直到袁世凯称帝时，始终如一。
其四，严密控制属下。在任山东巡抚时，为了了解山东各府州县的情况，袁世凯经常派员去分头密查。他总是先派一个人去，接着再派另一个人到同一个地点去查同一件事情。这两个人都对他直接负责，但彼此之间谁也不知情。如果他们所查的结果互不相同，他还照以前的办法另外再派两个人分头去查，然后再把所查的结果和上次的对照。对查报真实的予以奖励，对谎报不实的则进行处罚。他在担任直隶总督时也经常使用这种方法。袁世凯曾对儿女们说：“做一个长官，最要紧的是洞悉下情，只有这样，才能够举措适当，如果受着下边的蒙蔽，那就成了一个瞎子，哪有不做错事的？”
创办巡警 光绪二十八年四月，袁世凯在保定设立警务局，开办巡警学堂。七月接收天津时，又把训练好的3000名巡警调进，设南、北巡警局，同年冬又设立巡警学堂。后来，又增添马巡（骑马的警察）、河巡（水上警察）、暗巡（便衣警察）和消防队，将巡警制度推广到各府县和铁路，建立全省警察网。光绪三十一年，又建议清廷设立巡警部，并推荐亲信徐世昌任尚书、赵秉钧为侍郎，从而控制了警政。
整顿吏治 他饬令各道府州县将所得陋规一律交公，酌给公费，以杜绝受贿，防止官吏贪污；设立官吏考验处，考核甄（zhēn）别初到和新选新补官员；设立调查处，关注舆论，了解官员政绩；设立法政学堂和胥吏学堂，以开“官智”，培养新政人才。
改革教育 光绪三十一年（1905），由袁世凯领衔，联合湖广总督张之洞、两广总督岑春煊、两江总督周馥等会衔奏请立停科举，推广学校，得到批准。清政府谕令从丙午（1906）科起，停止所有乡试、会试和各省岁试。这样，延续了1000多年的科举制度被废除了，为新式学校的发展扫除了障碍。袁世凯后来经常与其子女谈起这件事，认为是一生中最为得意的事情，并说自己从小就痛恨科举制度。
袁世凯还积极兴办新式学校，通过组建教育行政领导机构、筹措办学经费和培养师资等措施，使得直隶省的新式教育发展迅速。据统计，到光绪三十三年（1907），直隶有各类学堂8700余所，学生16万多人，居全国第二位。
振兴实业 在天津设立直隶工艺总局，作为振兴直隶实业的领导机关，劝导奖励全省绅民兴办各种实业。还创办了工艺学堂等，培养技术人才。在保定设立了农务局和农事试作场，购买农业机械，并聘请外人指导种植。又附设农业学堂，教授桑蚕种植和糖酒制造。
在袁世凯的大力提倡下，直隶近代工商业得到很大的发展。光绪二十六年（1900）以前，天津的近代工业企业只有四五家，资本不过11万两。到辛亥革命前夕，工矿企业达137家，资本总额达2920万元以上。天津实业的迅速发展为世人所瞩目，袁世凯在全国工商业者心目中的地位也随之大大提升。
中国近代著名的状元实业家张謇（jiǎn），曾和袁世凯有过长时间的龃龉（jǔ yǔ），但在宣统二年（1910）参观了南洋劝业会上的直隶馆后，在当天的日记中写道：“颇觉袁为直督之能任事，此人毕竟与人不同，工艺殊有擅胜处，江苏不及也。”后来他在《自订年谱》中又一次提到了这件事：“观劝业会直隶馆，颇感袁世凯才调在诸督上。”
袁世凯在直隶推行的各种新政措施，使直隶成为“新政权舆之地”，为全国所瞩目。正因为如此，很多工商业者都把袁世凯视为自己的保护者。辛亥以后袁世凯能东山再起，一方面固然得力于他高超的政治手腕，另一方面也和他这一时期在实业界中的声望及由此得到众多实业家的拥戴有很大关系。
伪倡立宪 20世纪初，为了对抗和抵制日益兴起的革命运动，清政府被迫搞起了立宪运动。袁世凯这样一个靠出卖维新派、反对立宪而平步青云的大官僚，对立宪运动采取什么样的态度呢？
起初，袁世凯对立宪运动基本采取观望的态度。光绪三十年（1904），湖广总督张之洞派张謇试探他对立宪的态度时，袁以时机不成熟而回绝。他说，现在还不到时候，等等再说吧。光绪三十一年，立宪运动声势越来越大，清政府也决定要派大臣出国考察宪政。袁世凯看到清廷的意向已很明显，于是上奏“考求各国宪法，变通实施”。
袁世凯为什么会在这个时候积极倡导“立宪”呢？这是因为：第一，打算以立宪消除革命；第二，借立宪的机会，从满洲亲贵那里捞到更多的权力；第三，鉴于立宪潮流势不可挡，以赞成立宪进行政治投机，以免自己在政治上陷于孤立；第四，借立宪来限制皇帝的权力，防止光绪帝重新掌权后对自己不利。在这种情况下，袁世凯干脆顺水推舟，又加入到立宪派的行列，并利用自己的权势与地位，俨然以立宪的倡导者和主持者自居。
可见，袁世凯赞同立宪，完全是为了抵制革命和保全自己的利益，而不是真正拥护立宪。在此后的立宪活动中，他也不是一贯坚持立场，而是见风使舵，反复无常。不过，从袁世凯本性来看，这都是正常的，正如其在戊戌变法中的表现，一切都是为了自己的私利。
通过实施新政，特别是编练新军，袁世凯大力培植自己的势力，积累了日后重新崛起的最大资本。同时，袁世凯在新政中的表现，也使他赢得了立宪派的好感和信任，为他在辛亥革命中争取立宪派和旧官僚的支持奠定了基础。
1911年10月10日，武昌起义爆发。当晚，革命军占领武昌。12日，武汉三镇全部光复。
革命党人占领武汉的消息传到北京，引起了清廷的惊恐。由于南方新军大都倒向革命，清廷把镇压革命的希望寄托在北洋军身上，急命陆军大臣荫昌率北洋军南下进行镇压，但荫昌根本没有指挥作战的经验和能力，而且北洋军队都是袁世凯一手训练出来的，根本