作为首善之地的都城北京，地处直隶境内；作为权位高于各省督抚的直隶总督兼北洋大臣，不仅行动易为朝廷察觉，而且也为朝廷所依赖。朝廷希望直隶成为各省的模范，希望袁世凯能够表率群僚。袁世凯时当壮年，且任直隶总督之后，又身兼了参预政务大臣等八项要职，正是意得志满、趾高气扬的时候，也极想大干一番，让朝内朝外以及洋人都知道他袁某确实身手不凡，予以刮目相看。故任直隶总督以后，关于各项新政，他事事率先倡办，清廷革创之政，几乎均出其手。他在此期间的政绩主要有以下几个方面。
（一）增练新军
1901年，清政府鉴于绿营、巡防营积弊太深，兵员过多，不能打仗，再三下令各省严加整顿，汰弱留强，用节省下来的军费编练新军。这就为袁世凯扩充军队提供了一个极为良好的机会。
对于清政府的裁军要求，袁世凯以直隶刚刚经过八国联军之役，情形特殊为理由，非但不遵照办理，反而积极要求增练新军。奏称：“直隶幅员辽阔，又值兵燹以后，伏莽未靖，门户洞开，亟须简练师徒，方足以销萌固圉。”旧军固应酌量裁减，“惟人手之初，必须先募精壮，赶速操练，分布填扎，然后依次汰去冗弱，始可兼顾，而免空虚。现拟在顺直善后赈捐项下拨款一百万两，作为募练新军之用。”清政府因京畿防务空虚，批准了他的要求。
袁世凯极端热衷增练新军，1902年2月，令人在小站时制定的募兵章程的基础上，修订了募练新军章程十一条和募兵格式八条。
募兵格式规定：年龄限于二十至二十五岁；力大平举百斤以上；身高四尺八寸以上；每小时能行二十里以外；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。这个标准严格了入伍新兵的选拔。
募练新军章程的要点为：州县应查明各村庄户口，责令庄长、首事、地保公举数人当兵，必须确系土著，均有家属，溃勇、游民不得举充；到军营以后，头目每月饷银五两，正兵四两二钱，月扣头目一两五钱、正兵一两，每六个月派人发给家属；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三十亩，以示体恤；兵士潜逃，应严密查拿，一个月仍无下落，追究家属；地方官查缉不力，分别参处等等。
袁世凯说，这样规定的好处是：“以便稽考”，“显示体恤之心，隐寓防维之意”，“庶兵少逃亡，技皆娴熟，不至虚耗训练之日力，不至空糜国家之饷糈。”这个章程基本仿行外国的征兵制度，使士兵不再带有昔日雇佣兵的性质，在中国实属首创。同时，章程显示了对军人资格的重视，提高了军属的社会地位，减轻了家属的经济负担，较前大有进步。对于免除士兵的后顾之忧，使其得以专心操练，也能收到一定效果。另一方面，它也以比过去更新的手段加强了对士兵的控制，使士兵不能随意逃亡。
按照上述要求，1902年2月袁世凯派王英楷、王士珍等人分赴直隶正定、大名、广平、冀州、赵州、深州、顺德，会同地方官精选了六千壮丁；又奏请朝廷，今后必须发足军饷。清廷大力支持，命令军机处转告各省督抚，务当兼顾统筹，共维大局，照朝廷核定的数目筹解足数，不准稍有短欠。
袁世凯认为，中国军队的弊病在于营制不一，操法不齐，武器装备参差，号令歧异。要想将军队建设好，必须先设军务总汇机关，以便考求利弊，斟酌损益。因此，于1902年6月在保定创设军政司，作为治军的领导机关，自兼督办。下辖兵备、参谋、教练三处：兵备处负责考功、执法、筹备粮饷、医务；参谋处专管谋略、调派、测绘；教练处管理学务、校兵。以刘永庆、段祺瑞、冯国璋分任总办。这一新式军事机构，成为此后各省军事领导机关的蓝本。
与此同时，袁世凯让人参照中外现行成法，制定了创练常备军的营制、饷章，把军队分成常备兵、续备兵、后备兵三种。服现役的称为常备兵，当差三年，支给全饷；三年后退伍回家，列为续备兵，月支饷银一两，平时在家各就其业，每年10月操练一次，以一个月为度，操练时发给全饷；再三年列为后备兵，月饷为续备兵之半，每隔一年操练一次，四年期满，退为平民，停止月饷。遇有战事，得征调续备兵、后备兵入伍。这种将军队区分为现役和预备役，改造成新的多层次结构的西方近代军制规范，也是在中国首次推行。
常备兵的平时编制，以二镇（镇相当于后来的师）为一军，每镇辖步队二协（旅）、马队一标（团）、炮队一标、工程队一营、辎重队一营。营下为队（连），队下为排，排下为棚（班）。全镇共一万二千五百一十二名。此种新式编制系取法于德国、日本，只是在初练时兵额少些，袁世凯打算以后补足。6月21日他上奏说：“直隶为畿辅重地，筹饷练兵，固期多多益善。”由于筹饷困难，他准备次第增加：“按年添练，逐渐扩充，小则增一标一协，大则增一镇一军。”从此，他把所训练的新军改称北洋常备军，此即“北洋军”名称的由来。当年，北洋常备军左镇首先练成。
1902年12月6日，清政府命精选三千八旗兵丁交袁世凯认真训练，待卓有成效后，再将其馀人员轮流派去受训。袁世凯受命后，奏请将该军定名为京旗常备军，以满族人铁良为京旗练兵翼长。所有营规军律，悉照北洋常备军法令办理，营制、饷章亦按常备军编定。次年6月该镇练成。不久，清政府又让山东、山西、河南各省选派将弁头目赴北洋军学习操练。
为了既能扩充军队而又避免满族亲贵的疑忌，袁世凯建议清政府设立练兵处，极力推荐奕劻总理其事，自己甘愿退居其次。清政府为统一军权，立即接受，1903年12月在兵部之外成立了练兵处，任命奕劻为总理练兵事务大臣，袁世凯为会办大臣，铁良为襄办大臣。表面看来练兵处的大权由满族人掌握，但练兵处的总提调是徐世昌，军令司正使为段祺瑞，军政司正使为刘永庆，军学司正使为王士珍，副使有冯国璋、陆建章等，他们都是袁世凯派进去的小站嫡系，实际上军权操在他的手里。
练兵处成立后，全国训练新军的制度始归统一，各省设立督练公所。练兵处所拟订的营制、饷章、募兵章程、募兵条件以及军事学堂章程，基本上都是袁世凯训练北洋军的一套办法。袁世凯亦将军政司改为督练处，仍设兵备、参谋、教练三处，以言敦源、段芝贵、何宗莲为总办。
1904年2月至1905年5月，俄国、日本为宰割中国东北地区发生了尖锐冲突，双方在中国土地上厮杀了一年多。开战前夕，清政府宣布保持中立，并电告各省：日俄相持益急，如竟决裂，中国势处两难，自当妥筹办法。除奉、直边要各地方应由北洋统筹布置、派兵严防外，所有沿江沿海沿边各口，务须加意扼防，慎固封守。
袁世凯一看是个绝好机会，不能放过，立即奏请增加军队。他说：日俄战端难免，不得不预筹地步。畿辅为根本重地，防范尤须稳固。“如欲慎固封守，计非十馀万人不克周密。”“惟我方饷绌械乏，断难集此重兵。然详查形势，扼要设防，至少亦须有六万人。”而直隶境内虽有各军数万人，但能够出防的只有两万；且子弹大半缺少，军械又多参差不齐。因此必须增兵三万，至少目前要先增募一万。他强调说：“及今募兵购械，已觉为时甚迫，如再延宕时日，待至俄、日兵连祸结，虽有巨款，而乌合之众不足防御，远购之械难应急需，势将束手坐困。”“倘实在无饷接济，或拨饷不能应时，臣何能无米为炊？”要求清政府迅速筹饷。说穿了就是：你要叫我防御，就得给我钱，让我增练新军，否则出了问题我不负责。当时清政府考虑到有增练新军加强边防的必要，同时正制定在全国编练三十六镇新军的计划，遂批准让袁世凯继续募练新军。1904年他在山东、河南、安徽招募壮丁，训练了一镇；1905年又从武卫右军先锋队中抽选六七成，增募部分壮丁，改编为一镇；把武卫右军及自强军并编为一镇。至此，北洋六镇的编练计划全部完成。
北洋新军与清王朝旧有的军队有明显区别。第一，编制不同。旧军一般以营为单位；新军以镇为单位，镇下为协、标、营、队、排、棚。旧军不分兵种；新军包括五个兵种，可起到协同作战的作用。第二，装备不同。旧军使用的洋枪洋炮是过时的，有许多还以刀矛弓箭为武器；新军则全部是购自外国的新武器。第三，训练不同。新军一律按外国操典进行训练，负责训练的多是外国教官，旧军更难以比拟。第四，官兵素质不同。旧军军官一般出身于行伍，不少人目不识丁，对新式武器大率不解，对绘图、测量、行军、水陆工程诸事尤所不习；新军军官仅开始时有少数系行伍出身，其馀皆出自军校，具有现代军事知识。旧军士兵入伍没有一定条件，选拔标准不严，质量很差；新军士兵入伍条件很严，军中设有学兵营，可以学习浅显的军事技术。第五，教育管理不同。新军推行西洋规范，在编制、装备、训练、指挥、战略、战术等方面，都非常注重军事科学和其他技术知识；旧军则无此需要。总之，新军远较旧军优越，战斗力亦强。新军的增练，进一步推动着清政府的军事改革向全面深入开展。从此，冷兵器被送进了历史博物馆，古老的阵法韬略也为新的战略战术所替代。
袁世凯对建立各种军事学堂，培养具有现代军事知识的军官也抓得很紧。因为军队迅速扩大，原来的中下级军官都依次晋升上去，急需补充一大批低级军官，同时这又是培植个人势力的好机会。1902年3月，他从武卫右军学堂的毕业生中挑选了五十多名，派赴日本陆军学堂深造。同年6月，在保定建立了行营将弁学堂，学习期限八个月。次年兴办了陆军小学堂和北洋武备速成学堂。1905年设立了军医、马医、经理、军械四个学堂，培养专门人才。在小站开办了电讯学堂，在大沽筹建起宪兵学堂。次年在保定成立军官学堂，教授高等兵学，分速成、深造两科。在天津韩家墅成立了讲武堂和学兵营各一所。参加学习的主要是袁世凯统辖的各级军官弁目，热河、山东、山西、河南和兵部亦选派了部分人员入学深造。
在此时期内，袁世凯还向外国订购了大批军火，派人赴德国、日本专门学习制造武器，武器由此统一了口径和规格，给训练使用和修理补给以极大便利；并在军队中配置了先进的通讯设备无线电，服装按西方的式样加以改换，配备了军医、马医，改变了旧军无医的面貌。
直隶的淮军、练军为数很多，且营制不同，名称歧异。1906年，袁世凯训练完正规陆军以后，开始整顿地方武装，从马、步各营中挑选精锐三十五营，改编成北洋巡防淮军，以提督夏辛酉、张勋统领。这支部队的主要任务是维持地方治安。
直隶“既遭联军蹂躏，又筹教民赔款，元气大伤，疮痍未复”，“官民交困”，财政十分困难。既然如此，袁世凯大肆扩张军队，钱从哪里来的？一是用京畿重地，非练重兵不可为由，让清政府拿出巨款，“即借清政府雷霆万钧之力，吸全国之财，以供北洋一区练兵之用。”二是利用权势，从盛宣怀手中夺取了轮船招商局、电报局等官办企业，扩展经济势力。三是垄断食盐销售，提高盐价，设局制造银元、铜元，发行公债，开办煤矿公司和其他企业。四是苛捐杂税，如加征烟酒税，新增印花税、硝税、鱼税，收取国民捐、房捐、车捐、妓捐，加征田赋附加等等，该项收入在全省总收入中占有很大比重。1903年5月，清政府让各省停止苛捐和印花税，袁世凯在举办新政需款甚巨、无法可筹的借口下拒不执行。仅仅加征的烟酒税，当年就收取了八十万两白银。清政府见其敛财有方，立即表扬，令各省向他学习，并强行向各省摊派。
袁世凯为了显示一下自己的练兵成就，1905年2月特请练兵处奏派大员前往考察，并要求把北洋常备军各镇一律改称陆军各镇，以便和各省一致。由于直隶新军首先练成，这六镇便被分别命名为陆军第一、第二、第三、第四、第五、第六镇。同年10月，北洋军抽出两万多人，在直隶河间举行了秋操（即野战演习）。通过这次演习，北洋军的声名传播中外。
北洋六镇新军的编练，使袁世凯的兵力骤增至八九万人，成为地方上实力最为强大的封建军阀。他所训练的北洋六镇，除第一镇外，其馀五镇的统制（相当于后来的师长）皆为其嫡系亲信，王英楷、段祺瑞、王士珍、段芝贵、曹锟、马龙标、张怀芝、王占元、吴长纯、吴凤岭、陈光远、赵国贤、李纯等都先后担任过统制。统领（旅长）、统带（团长）均是小站时的旧班底。北洋派军人自成一个体系，俨然独立王国，其他势力根本插不进去，即使后来从日本士官学校毕业回国的士官生，也很难在北洋军立足。加之他在政界网罗培植了一批党羽，如徐世昌、赵秉钧、杨士琦、梁士诒、张镇芳、朱启钤、周学熙、胡惟德、朱家宝等人，分据中央和地方各要津，就逐渐形成了一个庞大的以他为首脑的北洋集团。同时他还身兼参预政务大臣、会办练兵大臣、办理京旗练兵大臣、督办电政大臣、督办山海关内外铁路大臣、督办津镇铁路大臣、督办京汉铁路大臣、会议商约大臣，直接控制着清政府的许多重要部门，另外还操纵着巡警部。当时就有人向清政府指出，袁世凯如此扩大势力是非常危险的，必须设法防制。清政府中某些当权的亲贵对此毫无察觉，反而把他倚为左右手，遇有重大问题，均向他请教，“朝有大政，每由军机处问诸北洋”。当年的荣禄是如此，后来的奕劻也是如此。他实际上也成了清政府的重要决策人物。
（二）创办巡警
袁世凯任直隶总督时，天津尚被八国联军占领，省城设在保定。1902年5月，袁世凯首先参照外国办法，拟定章程，在保定创设警务总局一所、分局五所，挑选五百名巡警分布城厢内外，又责令赵秉钧开办了巡警学堂。其时他已预筹天津收回之后的问题，陆续招募警兵三千人，加以训练。同年8月接收天津时，由于八国联军不准中国在天津周围二十里内驻扎军队，袁世凯便把训练好的三千巡警开进天津，以一千五百名留津，称南段巡警局，任赵秉钧为总办；一千五百名分布在西沽、塘沽、山海关、秦皇岛、北塘等处，称北段巡警局。同年冬，在天津设立巡警学堂，聘请洋人充当教员，编译外国有关警务书籍，教授警务知识，令各局巡警学习。次年，将保定巡警学堂并归天津，改称北洋巡警学堂，培养巡警官弁。其后又增添了河巡、马巡、暗巡和消防队，把警察制度推广到各府、县及铁路，在全省建立起警察网。
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。袁世凯到直隶总督任后，“稔知其智略兼优，长于缉捕”，便委令创办巡警，奏保为知府，加盐运使衔，后又奏保为道员，将其提拔上来。从此，赵秉钧对袁世凯感激涕零，百依百顺，死心塌地为他卖命，是袁世凯极为得力的一个帮手。
