光緒二十七年（1901年），李鴻章病死，袁世凱署理直隸總督兼北洋大臣（次年6月實授）。二十八年初，袁世凱兼任政務處參預政務大臣、練兵大臣，并在保定創(chuàng)立北洋軍政司（后改北洋督練公所），自兼督辦，開始編練北洋常備軍（簡稱北洋軍），且抓住了清朝京畿的警權。此后，他又兼任督辦商務大臣、電政大臣、鐵路大臣等職，號稱一人身兼八大臣，勢力從軍事急劇擴張到政治、經濟等方面，形成“朝有大政，每由軍機處向諸北洋”的局面。袁世凱的權勢已遠遠超過當年的曾國藩、李鴻章。

    在當時西方人眼中，李鴻章是“中國第一人”，是中國的改革之父。而袁世凱是李鴻章的最佳繼承人，他“一直負責推動整個大清國的現代化進程”，是少數可以左右李鴻章之后的政局、帶領中國走向現代化的政治人物。一位采訪過袁世凱的美國記者說，袁世凱是清朝趨向改革和進步的高層官員中的“第一人”，他是“第一個認真學習國外軍隊的組織方法和戰(zhàn)略戰(zhàn)術的人，并且也是第一個極力鼓吹軍隊必須實現現代化的人”。他“雖然不是清國的改革之父，但他能讓改革繼續(xù)進行下去”。他“素質全面”，具有“異常才智”且“野心勃勃”。他善于利用政治時機并有能力把自己推上最高權力的寶座。他吸取了中日戰(zhàn)爭和義和團式反西方的教訓，主張盡量尋求西方國家對中國的支持和諒解，以便推動保守的漸進改革。

    光緒二十七年三月，清廷成立推行“新政”的主持機關督辦政務處，頒布了一系列新政法令。因有戊戌變法的前車之鑒，不少官員對此次新政持消極觀望態(tài)度。時任山東巡撫的袁世凱則以“急進改革者”的面目出現，立即于當月向朝廷條陳籌辦新政辦法10條，包括設立課官院和課吏館，對官吏進行新政集訓；命學生學習實用書籍和外國學術；各省設官報局，開啟民智；派遣王公官員出國考察；設立商會，興辦商務等。并首先在山東身體力行，積極推進新政。開辦了課吏館、校士館，成立了山東大學堂（今山東大學前身），創(chuàng)辦了商務總會，設立了銀元局等。擔任直隸總督、北洋大臣、參預政務大臣等八大臣后，對各項新政，袁世凱更是事事率先倡辦。論者以為，“清廷革創(chuàng)之政，幾乎均出其手”。

    此間，袁世凱除了通過實際把持“練兵處”控制全國練兵的用人、經費、軍械制造、考察等權，“借清政府雷霆萬鈞之力”迅速完成編練北洋六鎮(zhèn)外，在政治、經濟、教育等各方面均有革創(chuàng)。

    政治方面的改革，圍繞整飭吏治展開。有提陋規(guī)、改公費；設官吏考驗處、調查處；“開官智”，培養(yǎng)新政人才等。

    “陋規(guī)”又稱“規(guī)禮”，指年節(jié)時令下級向上級奉送“常例”的金錢和禮物。清代官員俸祿微薄，辦公用度浩繁，不得不行此舉。但長官為飽私囊，無不取之多多益善；屬員為保祿位、謀肥缺，無不非分鉆營、搜刮貢獻。袁世凱認為吏治最大的問題“莫如收受陋規(guī)一事”。他采用的是提陋規(guī)、改公費的老辦法:按各官向來所得多少，明定等級，酌給公費，多者月給一千兩，少者一百兩或五十兩，不得私相授受，否則嚴加治罪，以養(yǎng)官之廉，止官之貪。在清末腐敗的環(huán)境下，此舉的效果可想而知。

    設立官吏考驗處、調查處，是袁世凱對新老官員進行考驗、考核的改革措施。考驗科目有5項:1。閱歷；2。批判，如公牘文字等；3。律例，如新舊法律、各國憲法等；4。行止，如舉動靜躁，是否吸食鴉片等；5。口力，如對答是否詳明、有無條理。調查分為平時與臨時兩種。平時主要了解官吏政績、采訪輿論；后者查辦奏參要案、總督指交事件、各官互相稟訐事件、紳民控告官吏事件等。

    “開官智”，培養(yǎng)新政人才的辦法，主要有設課吏館，不久改為直隸法政學堂，專招候補、候選官員學習。每年招120人（后增收山東等五省舉貢100人），分預科（半年）、正科（一年半）。正科課程有:大清律例、大清會典、交涉約章、政治學、憲法、行政法、刑法、民法、商法、國際公約、國際私法、刑事訴訟法、民事訴訟法、裁判所構成法、應用經濟、財政學、警察學、監(jiān)獄學、統(tǒng)計學、中外通商史、日語、演習裁判等，絕大部分由日本教員講授。畢業(yè)后分優(yōu)劣委派差缺。法政學堂附設幕僚學堂，專教幕僚。另外州、縣新任官員就任前，先赴日本游歷三個月，參觀行政、司法、各官屬及學校、實業(yè)，而后再赴新任。又有委派歸國留學生到新政機構工作等舉措。

    此外，義和團事件后，《辛丑條約》規(guī)定中國不得在天津地區(qū)駐軍，精明的袁世凱就訓練3000名警察取代軍隊進駐天津，取代衙役管理社會治安，維護了主權。在袁世凱對地方自治運動的努力推動下，光緒三十三年（1907年），天津舉行了全國首次地方市政選舉。

    經濟方面的改革主要是提倡實業(yè)。提倡實業(yè)的指導思想是辟利源而資生計，增財政而富國家，辦實業(yè)而抗洋貨。

    工業(yè)方面，成立了負有指導任務的直隸工藝總局。工藝總局創(chuàng)辦了初、高等工業(yè)學堂、勸工陳列所、教育品制造所、實習工場、勸業(yè)鐵工廠、種植園、官紙廠、勸業(yè)會場、北京第一第二小學堂工場，附設有夜課補習所、儀器講演會、工商研究所、工商演說會等。工藝總局通過多種方式勸導、推動工商業(yè)振興；派工業(yè)學堂教員到街頭講演，勸工委員分赴各地調查各州、縣出產及工業(yè)情況；勸導官紳合辦工廠；號召各界人士“同心努力，急起直追，或獨出資財創(chuàng)辦工場，或糾合同志設立公司”，“推廣工業(yè)，大辟利源”，并代為籌劃“一切開辦之法、保護之方”，舉辦展覽會；試辦工業(yè)售品所，出售所屬工廠產品，辦理本省寄售業(yè)務，但不代售洋貨；考核鑒定廠礦企業(yè)，光緒三十一、二兩年（1905年、1906年）評定模范工廠75家，頒發(fā)金獎牌38枚、銀獎牌47枚；派人帶工徒赴湖北學習織造麻織品，赴江西景德鎮(zhèn)學習制瓷，赴日本考察造紙、織布方法；呈請農工商部批準給予軋豆榨油機、機器輪磨、折疊桌、黑胰發(fā)明者以專利權等。這些均使“實業(yè)”二字深入人心，“學界中人有工業(yè)教育之想，商工界人有工藝創(chuàng)造之思”，創(chuàng)辦的企業(yè)有織染縫紉公司、造胰公司、牙粉公司、玻璃廠、機器造紙有限公司、萬益有限公司（織造氈呢等物）、電燈有限公司、濟安自來水有限公司、北洋勸業(yè)鐵工廠、實業(yè)工藝廠、北洋煙草公司、唐山啟新洋灰公司（啟新洋灰公司資本100萬元，年產水泥20余萬桶，是當時全國最大的）等，光緒二十九至三十三年（1903年―1907年），直隸即開辦工藝局、所、廠85處。

    礦業(yè)方面，設立了灤州煤礦有限公司，主要目的是振興商務和接濟北洋官兵用煤。另外，有開平及臨城礦權收回之爭。八國聯軍入侵時，開平煤礦礦局督辦張翼圖謀私利，欺蒙清廷，同德國人德璀琳和英商墨林等人簽訂契約，將該礦改為開平礦務有限公司，中外合辦，在英國注冊，實為英國騙占礦權。光緒二十八年（1902年），袁世凱發(fā)現該礦及所擁有之河道、口岸、土地等落入英國之手，立即同英國駐華公使交涉，并再三詰責張翼、德璀琳，同時上奏清廷，請飭外務部向英切實聲明，斷不承認所簽私約，尤不能把口岸、河道、土地移交英國公司管理，開平礦權不屬英國，如英人必欲合辦，必須另訂章程，以使“我之產地、利權不至憑空斷送于外人之手”。清廷勒限張翼兩個月收回，經半年仍無眉目，袁世凱又幾次奏參張翼盜賣礦權，等等。臨城煤礦亦系鈕秉臣、龔照瑪擅自與比利時人沙多私立草約，將該礦產業(yè)、房地統(tǒng)交沙多管理，名為合辦，實同盜賣。光緒三十一年（1905年），袁世凱奏請將原合同作廢，派唐紹儀、梁敦彥先后與沙多重新訂立中外合辦章程，最后議定借款300萬法郎（合銀九十二萬多兩）合辦，將礦產主權收回。
 
    交通方面，修筑了京張鐵路。京張鐵路是袁世凱督修、中國自籌資金、自行設計、獨立修筑的第一條官辦鐵路。袁世凱委任詹天佑為總工程師兼會辦路務，奏準所用鋼軌、枕木、機器、車輛等材料免納厘稅。京張鐵路路長170余公里，經居庸關、八達嶺，層巒疊嶂、地形復雜，工程浩大艱巨。洋人曾輕蔑斷言，中國修筑這樣的鐵路的工程師尚未出世。然光緒三十一年（1905年）京張鐵路開工，歷時四年全線通車，振奮了民族精神，對于抵制侵略、維護中國權益也有裨益。中國人至今仍熱情傳頌詹天佑修筑京張鐵路的功績，但多不記得或不了解這條鐵路的決策、資金籌措，包括決定用中國人和中國資金修建等主要是袁世凱的作為。一位美籍華人史學家說:“它（京張鐵路）是由袁發(fā)起、提出和取得的驚人成就。”