光绪二十七年（1901年），李鸿章病死，袁世凯署理直隶总督兼北洋大臣（次年6月实授）。二十八年初，袁世凯兼任政务处参预政务大臣、练兵大臣，并在保定创立北洋军政司（后改北洋督练公所），自兼督办，开始编练北洋常备军（简称北洋军），且抓住了清朝京畿的警权。此后，他又兼任督办商务大臣、电政大臣、铁路大臣等职，号称一人身兼八大臣，势力从军事急剧扩张到政治、经济等方面，形成“朝有大政，每由军机处向诸北洋”的局面。袁世凯的权势已远远超过当年的曾国藩、李鸿章。

    在当时西方人眼中，李鸿章是“中国第一人”，是中国的改革之父。而袁世凯是李鸿章的最佳继承人，他“一直负责推动整个大清国的现代化进程”，是少数可以左右李鸿章之后的政局、带领中国走向现代化的政治人物。一位采访过袁世凯的美国记者说，袁世凯是清朝趋向改革和进步的高层官员中的“第一人”，他是“第一个认真学习国外军队的组织方法和战略战术的人，并且也是第一个极力鼓吹军队必须实现现代化的人”。他“虽然不是清国的改革之父，但他能让改革继续进行下去”。他“素质全面”，具有“异常才智”且“野心勃勃”。他善于利用政治时机并有能力把自己推上最高权力的宝座。他吸取了中日战争和义和团式反西方的教训，主张尽量寻求西方国家对中国的支持和谅解，以便推动保守的渐进改革。

    光绪二十七年三月，清廷成立推行“新政”的主持机关督办政务处，颁布了一系列新政法令。因有戊戌变法的前车之鉴，不少官员对此次新政持消极观望态度。时任山东巡抚的袁世凯则以“急进改革者”的面目出现，立即于当月向朝廷条陈筹办新政办法10条，包括设立课官院和课吏馆，对官吏进行新政集训；命学生学习实用书籍和外国学术；各省设官报局，开启民智；派遣王公官员出国考察；设立商会，兴办商务等。并首先在山东身体力行，积极推进新政。开办了课吏馆、校士馆，成立了山东大学堂（今山东大学前身），创办了商务总会，设立了银元局等。担任直隶总督、北洋大臣、参预政务大臣等八大臣后，对各项新政，袁世凯更是事事率先倡办。论者以为，“清廷革创之政，几乎均出其手”。

    此间，袁世凯除了通过实际把持“练兵处”控制全国练兵的用人、经费、军械制造、考察等权，“借清政府雷霆万钧之力”迅速完成编练北洋六镇外，在政治、经济、教育等各方面均有革创。

    政治方面的改革，围绕整饬吏治展开。有提陋规、改公费；设官吏考验处、调查处；“开官智”，培养新政人才等。

    “陋规”又称“规礼”，指年节时令下级向上级奉送“常例”的金钱和礼物。清代官员俸禄微薄，办公用度浩繁，不得不行此举。但长官为饱私囊，无不取之多多益善；属员为保禄位、谋肥缺，无不非分钻营、搜刮贡献。袁世凯认为吏治最大的问题“莫如收受陋规一事”。他采用的是提陋规、改公费的老办法:按各官向来所得多少，明定等级，酌给公费，多者月给一千两，少者一百两或五十两，不得私相授受，否则严加治罪，以养官之廉，止官之贪。在清末腐败的环境下，此举的效果可想而知。

    设立官吏考验处、调查处，是袁世凯对新老官员进行考验、考核的改革措施。考验科目有5项:1。阅历；2。批判，如公牍文字等；3。律例，如新旧法律、各国宪法等；4。行止，如举动静躁，是否吸食鸦片等；5。口力，如对答是否详明、有无条理。调查分为平时与临时两种。平时主要了解官吏政绩、采访舆论；后者查办奏参要案、总督指交事件、各官互相禀讦事件、绅民控告官吏事件等。

    “开官智”，培养新政人才的办法，主要有设课吏馆，不久改为直隶法政学堂，专招候补、候选官员学习。每年招120人（后增收山东等五省举贡100人），分预科（半年）、正科（一年半）。正科课程有:大清律例、大清会典、交涉约章、政治学、宪法、行政法、刑法、民法、商法、国际公约、国际私法、刑事诉讼法、民事诉讼法、裁判所构成法、应用经济、财政学、警察学、监狱学、统计学、中外通商史、日语、演习裁判等，绝大部分由日本教员讲授。毕业后分优劣委派差缺。法政学堂附设幕僚学堂，专教幕僚。另外州、县新任官员就任前，先赴日本游历三个月，参观行政、司法、各官属及学校、实业，而后再赴新任。又有委派归国留学生到新政机构工作等举措。

    此外，义和团事件后，《辛丑条约》规定中国不得在天津地区驻军，精明的袁世凯就训练3000名警察取代军队进驻天津，取代衙役管理社会治安，维护了主权。在袁世凯对地方自治运动的努力推动下，光绪三十三年（1907年），天津举行了全国首次地方市政选举。

    经济方面的改革主要是提倡实业。提倡实业的指导思想是辟利源而资生计，增财政而富国家，办实业而抗洋货。

    工业方面，成立了负有指导任务的直隶工艺总局。工艺总局创办了初、高等工业学堂、劝工陈列所、教育品制造所、实习工场、劝业铁工厂、种植园、官纸厂、劝业会场、北京第一第二小学堂工场，附设有夜课补习所、仪器讲演会、工商研究所、工商演说会等。工艺总局通过多种方式劝导、推动工商业振兴；派工业学堂教员到街头讲演，劝工委员分赴各地调查各州、县出产及工业情况；劝导官绅合办工厂；号召各界人士“同心努力，急起直追，或独出资财创办工场，或纠合同志设立公司”，“推广工业，大辟利源”，并代为筹划“一切开办之法、保护之方”，举办展览会；试办工业售品所，出售所属工厂产品，办理本省寄售业务，但不代售洋货；考核鉴定厂矿企业，光绪三十一、二两年（1905年、1906年）评定模范工厂75家，颁发金奖牌38枚、银奖牌47枚；派人带工徒赴湖北学习织造麻织品，赴江西景德镇学习制瓷，赴日本考察造纸、织布方法；呈请农工商部批准给予轧豆榨油机、机器轮磨、折叠桌、黑胰发明者以专利权等。这些均使“实业”二字深入人心，“学界中人有工业教育之想，商工界人有工艺创造之思”，创办的企业有织染缝纫公司、造胰公司、牙粉公司、玻璃厂、机器造纸有限公司、万益有限公司（织造毡呢等物）、电灯有限公司、济安自来水有限公司、北洋劝业铁工厂、实业工艺厂、北洋烟草公司、唐山启新洋灰公司（启新洋灰公司资本100万元，年产水泥20余万桶，是当时全国最大的）等，光绪二十九至三十三年（1903年―1907年），直隶即开办工艺局、所、厂85处。

    矿业方面，设立了滦州煤矿有限公司，主要目的是振兴商务和接济北洋官兵用煤。另外，有开平及临城矿权收回之争。八国联军入侵时，开平煤矿矿局督办张翼图谋私利，欺蒙清廷，同德国人德璀琳和英商墨林等人签订契约，将该矿改为开平矿务有限公司，中外合办，在英国注册，实为英国骗占矿权。光绪二十八年（1902年），袁世凯发现该矿及所拥有之河道、口岸、土地等落入英国之手，立即同英国驻华公使交涉，并再三诘责张翼、德璀琳，同时上奏清廷，请饬外务部向英切实声明，断不承认所签私约，尤不能把口岸、河道、土地移交英国公司管理，开平矿权不属英国，如英人必欲合办，必须另订章程，以使“我之产地、利权不至凭空断送于外人之手”。清廷勒限张翼两个月收回，经半年仍无眉目，袁世凯又几次奏参张翼盗卖矿权，等等。临城煤矿亦系钮秉臣、龚照玛擅自与比利时人沙多私立草约，将该矿产业、房地统交沙多管理，名为合办，实同盗卖。光绪三十一年（1905年），袁世凯奏请将原合同作废，派唐绍仪、梁敦彦先后与沙多重新订立中外合办章程，最后议定借款300万法郎（合银九十二万多两）合办，将矿产主权收回。
 
    交通方面，修筑了京张铁路。京张铁路是袁世凯督修、中国自筹资金、自行设计、独立修筑的第一条官办铁路。袁世凯委任詹天佑为总工程师兼会办路务，奏准所用钢轨、枕木、机器、车辆等材料免纳厘税。京张铁路路长170余公里，经居庸关、八达岭，层峦叠嶂、地形复杂，工程浩大艰巨。洋人曾轻蔑断言，中国修筑这样的铁路的工程师尚未出世。然光绪三十一年（1905年）京张铁路开工，历时四年全线通车，振奋了民族精神，对于抵制侵略、维护中国权益也有裨益。中国人至今仍热情传颂詹天佑修筑京张铁路的功绩，但多不记得或不了解这条铁路的决策、资金筹措，包括决定用中国人和中国资金修建等主要是袁世凯的作为。一位美籍华人史学家说:“它（京张铁路）是由袁发起、提出和取得的惊人成就。”