据说李鸿章去世前有遗折奏保袁为继任人，但在《文忠集》中却找不到这份奏稿。同时袁世凯的任命是在两宫回銮途中，在收到李鸿章去世电报的第二天即降旨。所以即使李鸿章遗奏举荐过袁世凯，这项任命最后还是慈禧乾纲独断。
因为有李鸿章遗疏荐贤的传说，袁世凯更加见重于当时，据说代李拟遗疏的是于式枚(号晦若)，用的是“附片”，附片也是清朝的一种官书，遇有机密上奏，用附片上达，可以留中不发。
附片中有这样的字句：“环顾宇内人才，无出袁世凯右者”。袁世凯后来专门给于式枚写了一封信，对于式枚代李鸿章起草奏章推荐自己表示感谢：
“中堂大人驾鹤西归，天下为之悲伤，兄弟无才无德，哪里敢做接班人？承蒙您把奏章的原稿给我看，竟然对我过誉：‘环顾天下人才，没有比袁世凯强的。’这虽然是李大人口授，但也是先生玉成此事，兄弟要告诉子孙后代，对您的大恩大德永志不忘，随信送上古董8件，聊表寸心，不成敬意”。
11月28日，慈禧以袁世凯“共保东南疆土，尽心筹划”，“卓着勋劳”，加其太子少保衔。八国联军入侵的时候，袁世凯没有迅速救援京畿，而是拥兵自重，推诿敷衍。慈禧对这一点也非常清楚，那么慈禧为什么又要任命刚当上山东巡抚不到两年的袁世凯为直隶总督呢？
慈禧这样做的目的是为了重建京畿防卫系统。负责京畿防务的原来是荣禄统率的武卫军。但是在和八国联军的战斗中，聂士成统领的武卫前军全军覆没；荣禄亲自统领的武卫中军四分五裂；董福祥统领的武卫后军护送慈禧到达西安后，由于没有粮饷，5000多人各自回归原籍；宋庆的武卫左军仅剩下一半的兵力，而且是落后的旧式军队。现在只有袁世凯手下的这支武卫右军完好无损，战斗力强，是一支近代化的军队。袁世凯在山东的时候，还改编训练了武卫右军先锋队，军队数量比原来增加了两倍。
因此拱卫京畿的重任也只有袁世凯和他手下的部队才能担任。在这种情况下，慈禧回京后要重建京畿防务，维持京师治安，就只能依靠袁世凯的军队。
直隶总督身兼北洋大臣一职，少不了和洋人打交道，所以这个位置一般由懂洋务、外交的大臣担任。由于袁世凯在朝鲜时就担任外交职务，也正是合适人选。
当初袁世凯在北京极力活动，谋求小站编练新军的差使就是想走曾国藩、李鸿章通过控制军队进而执掌重权这条路。仅仅6年时间，袁世凯就从一个三品的道员升任为直隶总督、北洋大臣这样的封疆大吏，一品大员。他更加体会到掌握兵权的重要。
和当时威望素着的大臣和督抚比起来，袁世凯的年资实在太浅了，他这一年43岁，而他的三位前任，荣禄年逾七旬，李鸿章79岁，王文韶68岁，这三位前任总督论岁数都可以算是袁世凯的父辈了。
袁世凯交割完山东巡抚任内之事，即刻动身到直隶境内。当时直隶总督的驻地在天津，但是天津还被洋人控制着，袁世凯于是赴保定上任。
袁世凯升任直隶总督、北洋大臣之后，做的第一件事就是迎接从西安返京的慈禧一行。正在这时，直隶广宗县的景廷宾领导抗捐斗争爆发了。袁世凯迅速派段祺瑞、倪嗣冲等带领马步炮队前往镇压。5月，攻破了起义军的重要据点，数百名无辜群众被屠杀。就连他的幕僚都认为“按法律宜从宽典”，不能大肆屠杀，袁世凯说：“此辈如臭虫，孳生不绝，惟有芟夷净尽，以遏乱萌”。对于人民起义，袁世凯历来是残忍镇压，嗜杀成性的。在清末的官场，流传着“三屠”的说法，湖广总督张之洞花钱如流水，为“屠钱”；两广总督岑春煊疾恶如仇，爱弹劾贪官污吏，为“屠官”；而袁世凯杀人如麻，为“屠民”。
袁世凯残忍地平定了景廷宾起义。慈禧见袁世凯卖力地镇压起义，使京畿附近的局势迅速稳定下来，就在1902年6月，将袁世凯直隶总督兼北洋大臣前面的署理(也就是代理)去掉，任命他为正式的直隶总督。
为了博得列强的信任，消除国内危机和人民的反抗情绪，维护摇摇欲坠的大清江山，1901年1月，还在西安的慈禧太后以光绪皇帝的名义发布“变法”上谕，筹办“新政”，并着大臣督抚各抒所见，条议上闻。
4月，清廷设立督办政务处，作为推行“新政”的主持机关，派庆亲王奕匡、大学士荣禄、李鸿章、昆冈、王文韶、户部尚书鹿传霖为督办大臣，督抚中的刘坤一、张之洞遥为参予。清廷陆续颁布了整顿吏治、改革官制、废科举、兴学堂、派遣留学生、修改刑律、振兴商务、开发实业、编练新军、巡警等各项法令。
这次新政的各项措施和戊戌变法如出一辙，在有些地方甚至有过之而无不及。但是时势已异，这次新政无法使中国振兴富强，反倒加速了清政府的灭亡。
袁世凯当年虽然出卖了维新党人，不过他还是赞成“新政”的，他在山东巡抚的任上就已开始执行某些新政的措施。
1901年4月25日，袁世凯向朝廷提出10条筹办新政的办法：主要是设立课官院和课吏馆，对官吏进行新的教育；学生学习实用书籍和外国学术；行省设官报局，开启民智；派遣王公和官员出国考察；设立商会，兴办商务等。当时袁世凯还在山东巡抚任上，他在山东设立了银元局，开办了课吏馆、校士馆，创办了商务总会，成立了大学堂。
而袁世凯大力推行新政是在就任直隶总督之后。
清朝的首都北京就位于直隶境内，天子脚下的直隶总督不但权位高于其他总督，所作所为也最容易被朝廷知道，所以在各省中，直隶的重要性不言而喻，最为朝廷倚重。
李鸿章曾任直隶总督兼北洋大臣多年，他在直隶任上在长江流域筹办轮船公司，兴办电报、煤铁、纺织等近代企业，由于李鸿章的政绩，北洋大臣地位得到提高，权力也越来越大，超过了原来与之并驾齐驱的南洋大臣。李鸿章之后，袁世凯是任直隶总督时间最长的。
朝廷希望直隶能大力推行新政，成为各省的表率。
由于“辛丑之役”主要在直隶进行，因此直隶受战争的破坏很严重。这时京津一带内乱未平，洋兵未撤。原来拱卫京畿的武卫军只剩下袁世凯的武卫右军完好无缺，由于兵力不足，各地匪患成灾。
直隶总督署的驻地一直是在天津，但袁世凯上任的时候，天津还处于列强的占领之下。这时直隶总督署暂设保定。因此，袁世凯上任伊始要做的第一件事就是交涉撤销洋人的“都统衙门”。
袁世凯推荐精通外交的唐绍仪署理天津海关道，负责和洋人交涉。通过唐绍仪，袁世凯郑重向列强提出：八国的都统衙门一日不撤销，外国军队一日不撤出天津，他一日不迁往天津。所有“善后事宜”也就无法办理。
唐绍仪的交涉非常有力，而且列强也需要中国政府能够迅速开始遵行《辛丑条约》的各项条款，因此袁世凯的强硬态度还是很有威胁的。
经过6个月的谈判，列强终于妥协。
1902年1月15日，都统衙门正式交给中国政府。联军的代表是都统衙门委员会主任、英国步兵上校乌沙利文，中方代表是袁世凯。袁世凯接过联军方面递交的一个精致的小红封套，里面装的是一张银票，那都是联军在天津搜刮来的，已经被挥霍得仅剩185万两白银。
袁世凯的直隶总督官署迁入天津的时候，还遇到了一点小麻烦，按照《辛丑条约》规定，洋人交还天津时曾照会清政府，不准在天津租界周围20公里内驻扎中国军队。堂堂直隶总督、北洋大臣的驻地，居然不许驻兵保护，这个条件无疑是极其屈辱的。这其实是洋人玩的一个花招，不许在天津驻兵，市区的治安无人维持，租界的驻军名正言顺的维持治安，天津自然又处于洋人的控制之下。
但是袁世凯充分施展他的才智，创立于警察制度，巧妙地化解了这种尴尬。他从北洋六镇中抽调出服役期将满的3000名老兵，又从山东、上海等地高薪聘请了租界退休的外国警察，对这3000人进行强化训练。这些人原本就具备了较高的军事素质，很快就掌握了警察的技能和知识。袁世凯还特地制作了几千套在德国警服基础上略微改动而成的警服，这一切都是秘密进行的。
袁世凯代表清政府从八国联军手里接收天津的时候，一支3000人的中国警察队伍整齐地开进天津城，他们迅速地分布到天津的各个区域，开始维持全城的交通和治安。洋人看得目瞪口呆，这实在太出乎他们的意料了，中国居然还有警察！洋人以为这是正规军充数的。袁世凯看洋人又惊又疑的样子，心里高兴极了，但是他脸上却不露声色，他很客气地请各国领事、武官到街上去考察中国的警察，只见这些中国第一批警察非常纯熟地用手势指挥街道上的交通，或者很有礼貌地盘问路上可疑的行人。一些外国警察狐疑地问了一个中国警察几个专业知识，被问者对答如流。
1902年5月，袁世凯参照外国的警察制度，在保定创立警务总局1所，分局5所，挑选500名巡警在城厢内外巡逻，又派赵秉钧创设了中国第一个巡警学堂，聘请外国教师担任讲习，专门培训警察。次年，将保定巡警学堂合并到天津，改称北洋巡警学堂，专门培养巡警。这个赵秉钧早年只当过各种小官，1900年李鸿章任直隶总督时才升为候补知州。袁世凯到直隶后，“稔知其智略兼优，长于缉捕”，委派他创办巡警，奏保为知府加盐运使衔，后来又奏保为道员，将其提拔上来。从此，赵秉钧对袁世凯感恩戴德，成为袁世凯的心腹，辛亥年袁世凯逼清帝退位，赵秉钧是逼宫的干将，民国时期，赵还担任过内阁总理，他奉袁世凯之命策划刺杀了国民党领袖宋教仁，后来被袁世凯毒杀，这是后话。
袁世凯创立巡警制度之后，上奏朝廷称：“警兵所以清内匪”。在另一份奏折里又称：“尤虑华洋交替之际，匪徒乘间思逞，情形较内地尤为紧要，是非举办巡警，无以靖地面而清盗源”。朝廷对此项制度大加赞赏，将袁世凯首创的警察制度推广到全国，从此警察成为清朝国家机器中一个重要的组成部分。虽然北洋的很多警察是“假公济私，借以欺压乡民”的匪徒，但是袁世凯在中国首创了警察制度，为维持当时的社会治安和消防发挥了积极的作用。
袁世凯将接管天津的警察队伍编为“巡警营北段”，派段芝贵率领，担任维持天津治安的任务，其中1500人驻扎在天津市区，另1500名则分驻西沽、塘沽、山海关、秦皇岛、北塘等地。这批巡警都是军人出身，受过严格的军事训练，纪律严明，警容整齐。他们为改善天津的治安起了很大的作用。为了加强巡警工作，袁世凯又陆续建立起马队巡警、消防巡警、便衣警察，添置三艘小汽船负责河海的治安。后来袁世凯还把警察制度推广到各府县及铁路。中国近代的警察制度就是袁世凯在直隶总督任内创立的。
1905年9月，清廷为了筹备立宪，曾派载泽、徐世昌等五大臣出洋考察，革命党人吴樾谋刺五大臣，炸伤了载泽等，袁世凯乘机推荐赵秉钧率天津侦探进京协助破案，一面建议设立巡警部。清政府见天津的警察确实起到维持治安的作用，慈禧太后于10月下诏成立巡警部。
巡警部一建立就掌握在袁世凯的手里，巡警部的尚书是袁世凯的老朋友、北洋集团的军师徐世昌，袁世凯的心腹赵秉钧出任巡警部侍郎。巡警部的所有官职都由北洋系的人充任，满朝却没人反对，因为巡警制度是袁在天津创办并逐步推广的，除了北洋系，其他人都不懂巡警，因此北洋系就控制了全国警政大权。
各省的巡警制度陆续建立起来，北京街头也很快出现了巡警。仅仅4年时间，警察就遍布全国各大城市的街头。
在当时一位外国人的一篇游记里，专门描述了北京的警察：“都城北京的警察控制着街头，交通状况令人佩服。原先属最狭窄拥挤地区的各城门一带，如今已消除了堵塞，人人都必须循序而行，严禁横冲乱撞。即使皇家马车或者外国人驾驶的笨重大马车，也必须服从命令听指挥。有喝醉了酒不肯服从命令听指挥的士兵，在与警察冲突中突然拔出刺刀，维持治安的警察立刻吹起警哨，把他抓起来，扭送到警察所。几乎所有的警察都将原先的辫子剪短了三分之二后，披散在脑后；这在其他中国男人中是没有的。警察大多经过职业训练，有朝廷官员和外国人经过时，他们都立正行礼。在中国的其他城市，这种情况也是一样的。比较起来，在中国城市的外国人租界内执勤的外国警察，工作时要显得马虎和随便”。
袁世凯很重视警察，在他后来的政治生涯中，通过警察化解了很多军队不便出面的事。
袁世凯是依靠新建陆军起家的，他当上直隶总督依靠的也是手里的军队，因此袁世凯总督直隶后，把继续扩军当成最重要的任务。
辛丑之役让清廷上下更明白了旧式军队的不堪保卫国家，因此编练新军，裁汰绿营、八旗兵就成了朝廷的共识。而袁世凯又是靠编练新军起家的，因此他就借机扩充军队，增强自己的实力。
八国联军在“庚子之役”以数千之众横扫清兵，长驱杀入京畿重地，致使两宫狼狈“西狩”，清朝国防弊端再一次触目惊心地摆到统治者面前。清廷看到绿营、巡防营糜烂已极，空耗钱粮，已经不能担任保卫国家的任务，于是在1901年下令整顿旧军，严加淘汰，将节约下来的粮饷用以编练新军。1902年1月，袁世凯又被任命兼练兵大臣一职，各方面的条件都对他扩充军队非常有利。而袁世凯也很好地利用这些条件，大大增强了自己的军事力量。
在直隶编练新军的时候，袁世凯把现代的征兵制度首次引进到中国，这无疑得益于小站期间，在他主持下，由幕僚和将佐借鉴西方军事制度，制定了一系列切合中国国情的制度、法典、军规、条令和近代战略战术原则。
1902年2月，袁世凯的幕僚徐世昌等人在小站的募兵章程基础上，制定了11条募练新军章程和8条募兵格式。
新的募兵对新兵的身体条件有严格而细致的规定；
注重兵源质量：年龄限于20至25岁；力大平举百斤以上；身高4尺8寸以上；每小时能行20里以外；报明三代人口、住址和箕斗数目；吸食大烟、素不安分、犯有事案、五官不全、体质软弱及有目疾、暗疾者均不收。
规定了征兵的来源、待遇：州县应查明各村庄户口，责令庄长、首事、地保公举数人当兵，必须确系土着，均有家属，溃勇、游民不得举充；到军营以后头目每月饷银5两，正兵4两2钱，月扣头目1两5钱，正兵1两，每6个月派人发给家属。
提高了军属的待遇：地方官应妥为保护士兵家属，不得任土豪痞棍肆意欺凌，家属遇有诉讼案件，准其援照秀才之例，一律遣抱，以示优待；每名士兵准许免掉差徭30亩，以示体恤。