全部新军（时称“武卫右军”）前往济南，这是40岁的袁世凯首次出任方面大员。袁到任后，认定义和团为“左道邪教”，到处拆铁道，拔线杆，破坏了社会安定，一改毓贤的处理方针，驱赶拳民，令其在山东无法立足，逃往天津、北京一带。慈禧太后以民气可用纵容义和团。翌年爆发了八国联军战祸，山东在袁世凯治下则维持稳定，并且加入东南互保，使山东免遭战祸乱。1901年11月，继李鸿章署理直隶总督兼北洋大臣，次年实授，袁世凯一跃而成为中外所瞩目的实力人物。
清末新政-震慑满清
《辛丑条约》签订后，清政府迫于内外形势，施行新政。袁世凯表示极力拥护。1901年袁世凯在山东创建山东大学堂（今山东大学）。1902年，袁世凯兼任政务处参预政务大臣和练兵大臣，在保定编练北洋常备军（简称北洋军）。次年，清政府在北京设立练兵处袁世凯任会办大臣，，负责创办武备学堂，并聘请大批日本军官担任教习。至1905年北洋六镇编练成军，每镇一万二千五百余人，除第一镇系满洲贵族铁良统率的旗兵外，其余五镇都在他的控制之下，重要将领几乎都是小站练兵时期的嫡系军官。同时，袁世凯还兼任督办电政大臣、督办铁路大臣及会议商约大臣。在此期间，他在发展北洋工矿企业、修筑铁路、创办巡警、整顿地方政权及开办新式学堂等方面，都颇有成效。通过办理新政，他得以“内结亲贵，外树党援”，很快形成了一个以他为首的庞大的北洋军事政治集团。袁世凯大力襄赞新政，包括废科举、督办新军、建学校、办工业等，第一支中国警察队伍亦于天津成立，也筹划修建了中国第一条自主建造的铁路——京张铁路。
任总理大臣时的袁世凯
袁世凯北洋集团势力的扩张，对掌握中央政柄的满洲亲贵集团的世袭地位构成严重威胁。皇室亲贵煽动一些御史上疏屡弹劾袁世凯权高势重，甚至预言将步曹操、刘裕后尘。1906年，袁主动辞去各项兼差，并将北洋军一、三、五、六各镇交陆军部直接管辖。1907年，又被调离北洋，到北京任军机大臣兼外务部尚书，成为中枢重臣。
1908年11月光绪帝和慈禧太后相继病死，年幼的溥仪继位，改元“宣统”，其父载沣为摄政王。载沣因为反对袁世凯的很多新政措施，更因为戊戌政变一事（他怀疑袁世凯出卖维新派，致使光绪被慈禧太后幽禁至死），对袁世凯非常痛恨，成为摄政王后立即解除袁世凯的官职，袁称疾返回河南，最初隐居于辉县，后转至安阳。袁在此期间韬光养晦，暗地里仍关心政事，等待时机复出。被解职的袁世凯回到了河南安阳的洹上村，过起了赋闲垂钓的生活。并写了名为《自题渔舟写真二首》的两首诗，其中的一首“百年心事总悠悠，壮志当时苦未酬。野老胸中负兵甲，钓翁眼底小王侯。思量天下无磐石，叹息神州变缺瓯。散发天涯从此去，烟蓑雨笠一渔舟。”
1911年10月10日武昌起义，1911年11月1日清廷任命袁世凯为内阁总理大臣。11月13日袁世凯抵达京师，16日组织新内阁。其成员是：外务大臣梁敦彦，民政大臣赵秉钧、度支大臣严修、学务大臣唐景崇、陆军大臣王士珍、海军大臣萨镇冰、司法大臣沈家本、农工商大臣张謇、邮传部大臣杨士琦、理藩大臣达寿。并以胡惟德、乌珍、陈锦涛、杨度、田文烈、谭学衡、梁启超、熙彦、梁如浩、荣勋分任各部副臣。
就任总统-开创民国
1911年10月10日武昌起义，辛亥革命爆发，南方各省地方军阀纷纷宣布独立。北洋新军成为清室唯一可以抵抗
1913年12月23日袁世凯举行传统祭天仪式(13张)革命的力量，于是再用袁世凯，先任其为湖广总督，旋任其为内阁总理大臣。袁世凯一面以武力压迫南方革命，另一方面暗中与革命党人谈判。[3]革命党人也认为袁世凯是能领导中国的政治领袖。12月29日，南方十七省选出孙文担任中华民国第一任临时大总统，1912年1月1日在南京宣布民国成立，孙文就任。当时革命党节节败退，武汉三镇已被袁世凯北洋军攻下两镇。1月16日，袁世凯回家路上，在东华门丁字街遭到同盟会京津分会组织的炸弹暗杀，炸死袁卫队长等十人，袁世凯幸免于难。为了结束南北对立，1月25日，袁世凯及各北洋将领通电支持共和。2月12日，袁世凯逼清帝逊位，隆裕太后接受优待条件，清朝满清对中国的统治宣告终止。
1912年2月15日，南京参议院正式选举袁世凯为临时大总统。依据中华民国临时约法，改总统制为内阁制，大大削减袁世凯的权力，但袁坚持于3月10日在北京就职中华民国大总统。
宋教仁案
1913年2月，依据临时约法，举行了中国历史上第一次国会选举。国民党所得议席最多，按约法精神应由该党理事长宋教仁出任内阁总理。3月20日，宋教仁却在上海遇刺身亡。革命党人认为袁世凯是事件的幕后黑手，袁世凯予以否认；当时之证据指向时任国务总理赵秉钧涉嫌教唆杀人，而宋案凶