北洋大臣的業務有許多牽涉到外交事務，所以清廷總是選擇通洋務的大臣來擔任這個職務，尤其當八國聯軍侵佔直隸之後，直隸總督轄區內自然有許多和洋人分不開的關係。
直隸總督衙門設在天津，可是天津已在八國聯軍佔領下。《辛丑條約》簽訂後，洋兵交還天津時，曾照會清朝政府，提出一個條件，是在天津周圍廿華里以內，不許駐紮中國軍隊。這實在是一個極不合理的條件，試想堂堂北洋大臣和直隸總督竟在他的衙門所在地沒有軍隊保護，真是非常不合理的。袁世凱處理這個問題充分表現出他的明智。他在所轄部隊中抽調出精銳的3000人，編為「巡警營北段」，派段芝貴率領，用維持治安的名義進駐天津，以1500人駐札天津市區，另1500名則分駐西沽、塘沽、山海關、秦皇島、北塘等地。這些曾經過嚴格陸軍訓練的巡警，紀律嚴明、精神壯旺。此一措施對於地方治安的確保，收到極為成功的效果。接著為了加強巡警工作，又添募馬隊巡警50名，消防巡警100名，予以認真地訓練和管理。同時又有小汽船三艘為巡緝河海之用。還創設了一個巡警學堂，延聘外國教師擔任講習，使警察人員有專門教育。清朝有正式的警察便是從袁世凱在直隸總督任內開始的。
當八國聯軍佔領天津時，曾共同組成了都統衙門管理天津的行政和民間訴訟，聯軍撤退後在天津還留下洋警察為都統衙門的象徵力量。袁世凱蒞任後，即進行收回天津治權，派唐紹儀和八國委員簽約。於光緒廿八年（1902年）七月十二日正式接管天津，撤去都統衙門，洋警察自然隨之撤走。當時，關內外鐵道都在英俄兩國管理中，袁於八月初六赴山海關，會同俄國提督驗收關外鐵道，包括：由山海關至營口已成線700餘里，由溝幫子至新民屯未成線200餘里，包括沿鐵路線所有廠房設備……八月廿六日英公使到天津，會同英國提督交還關內鐵道823里，也包括所有廠房設備。
還有開平煤礦問題。原來在八國聯軍入京時，開平煤礦的監督張翼奏募外國股份改為中外合同會社，他的理由是希冀保全礦產，於是他收受英人5萬金鎊，而在簽定條款時則把礦池、河道均交付接辦人永遠執守。這簡直是賣斷，不要說清廷不知，大約張翼本人也不很清楚，直到有一天開平煤礦局局員楊善慶在局中升起「國旗」，英國竟宣稱這是英人土地，不得懸掛黃龍旗，且有張翼賣斷的各種憑證。袁乃請北京外務部（總理各國事務衙門裁撤後改為外務部）通知英國公使，聲明張翼賣礦的私約，政府不能承認。同時請旨懲處張翼，責令剋期收回煤礦。
當洋兵佔領天津時，比利時人得清政府許可，准其在天津設立電車電燈公司。袁在直督任內，比人依照已籤條約要求開辦，袁不答應，認為以前所定的條款喪失權利太大，必須修改，比國使館與清外務部幾經交涉，均因袁堅持立場而無法獲致結果。最後另訂新約，以50年為限，每年贏利先繳地方官，提三成半給股東，倘使用民地，則由公司付租。50年期滿後，一切軌道、房屋、木材、地基、機器車輛以及各種產業，均歸直隸總督衙門所有，交還時並須修整完全，不得傷損，開辦時先繳銀五萬兩作為興建天津御河鐵道及安裝排泄濠水機器之費用。
光緒卅年（1904年）袁的老朋友又曾做過他老師的南通狀元張謇致書於袁，請袁促成清廷「立憲」。這封信洋洋灑灑千餘言，函略云：「公今攬天下重兵，肩天下重任矣，宜與國家有死生休戚之誼。顧亦知國家之危，非夫甲午、庚子所得比，方乎不變政體枝枝節節之補救無益也，不及此，日俄全局未定之先，求變政體而為揖讓救焚之迂圖無及也。日俄之勝負，立憲專制之勝負也。今全球完全專制之國誰乎？一專制當眾立憲尚可幸乎？日本伊籐板垣諸人共成憲法，巍然成尊主庇民之大績，特命好耳！論公之才豈必在彼諸人下，即下走自問志氣亦必不在諸人下也。」云云。洋洋千言，袁非常佩服。
這時候朝野一片促請立憲聲浪，加上日俄戰爭的結果，君主立憲的小國日本，竟戰勝了號稱強國又是君主專制的帝俄，更證明君主立憲是一件順人心的大事。清廷不得已，乃成立一個「考察政治館」，同時接受袁請派親貴出國考察政治的建議，乃派遣五位大臣：載澤、戴鴻慈、徐世昌、端方、紹英出洋考察憲政，以作敷衍，藉以拖延時間。光緒卅一年（1905年）八月廿六日，五位大臣自北京啟程出國，到前門外車站上，卻被一位潛伏車站的刺客投了一顆炸彈，炸傷載澤和紹英二人。於是出國考察之行展期，九月才再度成行，由山東布政使尚其亨、順天府丞李盛鐸代替了徐世昌和紹英。紹英是傷勢未痊不能成行，徐世昌奉委了一個新職務。這個新職是因為五大臣遇刺事件發生後，適應形勢要求而增設的一個機構，也是袁世凱所建議：設立一個巡警部以統籌全國治安工作，集中事權。這個新衙門的首長也是袁世凱所保薦的，巡警部尚書是徐世昌，巡警部侍郎是趙秉鈞。謀刺五大臣的刺客是桐城人吳樾，他是保定高等學堂的學生。他這顆炸彈又幫了袁世凱一個大忙，便是使袁借此機會抓到了清朝的警察權。
光緒廿八年（1902年）九月十七日慈禧准給袁喪假40日，讓他回籍安葬生母劉氏，並追贈劉氏正一品夫人，賜祭一壇，命河南巡撫代祭。這些在清朝都是無比的尊榮。袁遂於九月廿五日把直督交由藩司吳重燾護理，於十月初八日返抵河南項城。這趟歸來可算做「衣錦還鄉」，河南巡撫遠道迎迓，地方官員都是傾城迎接，場面非常榮耀。袁和夫人于氏、五位姨太太及兒女多人一齊回鄉，很隆重地辦完了這場葬禮。鄉人們都盛稱這位袁母劉太夫人有福氣，一直等到兒子位極人臣才下葬。
袁在原籍只停留了14天，他返回天津前，取道東南，由信陽乘車至漢口。十月廿三日偕湖廣總督端方參觀煉鐵廠和兵工廠。然後改乘汽船抵九江轉江寧，和兩江總督劉坤一會晤。然後到上海拜訪呂海寰和盛宣懷。於十一月三日乘海圻輪北返，兩天後抵達秦皇島，轉道回天津任所。
中國第一個軍樂隊是袁世凱在北洋大臣任內建立的，正式使用則是在光緒廿九年（1903年）三月慈禧和光緒行幸保定時。原來中國雖是禮樂之邦，可是軍樂的使用各個朝代都不同；唐朝時唐太宗非常重視，到宋朝以後便漸漸忽略了。西洋隆重的軍樂給袁世凱一個深刻印象，於是他便組成一支軍樂隊，所有樂器完全採用西洋的。這次兩宮行幸保定，軍樂隊便在車站迎駕，慈禧和光緒下火車後，袁世凱率領百官跪迎，這時軍樂奏了起來，最妙的是所奏的曲子竟是法國國歌《馬賽進行曲》。因為當時清朝沒有國歌，更沒有其他迎接帝王大典的曲子，軍樂隊只會奏幾隻世界各國國歌，好在大家也不知道這是什麼曲子，更不知道當時應該奏什麼曲子。慈禧和光緒從來沒有見過這種玩意，所以極感興趣，她輕移御步走到軍樂隊前，很仔細地端詳這些樂器，並且用極興奮的口吻打聽這些樂器的稱呼，什麼大喇叭、大鼓之類。袁世凱一一為太后解釋，他這洋玩意確實把老太后唬住了。
不過，隨侍在慈禧身邊有一位曾經到過歐美各國遊歷的德齡公主當然見過軍樂隊這玩意，也懂得奏馬賽曲來迎慈禧是極可笑的事，但她不敢把這西洋鏡拆穿。同時她覺得袁世凱建立軍樂隊總是一種迎合時代的東西，而清朝又沒有正式的曲子，所以她在事後有機會和慈禧談到軍樂時，便作建議說：「老佛爺世界各國都有國歌，咱們大清也該有國歌。老佛爺出巡或是有國家大典時，軍樂隊奏起大清國歌，才叫莊嚴呢！」慈禧聽了大感興趣，順口答說：「是嘛，趕明兒叫個人作一支唱唱！」雖然這麼說，說過也忘了。因此清朝時袁世凱雖然組成了一支軍樂隊，可是卻始終沒有國歌。
光緒卅年（1904年）十月初十日是慈禧的壽誕，全國都熱烈慶祝，而北京皇宮中更是喜氣洋洋，上上下下最感興趣的是欣賞各大臣獻給太后的禮物。這些禮物都是海內外的奇珍異玩，應有盡有。誰也沒有想到直隸總督袁世凱所呈獻的禮物是什麼？因為像張之洞每次呈獻慈禧壽誕總是價值連城的翡翠綠玉。據說張之洞是最懂「玉」的專家，慈禧也最歡喜他的禮物。但這一年袁世凱卻出了大風頭，他的禮物是一隻鸚鵡，紅嘴啄，彩色羽翼的鸚鵡。宮中都很奇怪，以袁宮保受慈禧如此寵信，又是首席總督，為何壽禮如此菲薄呢？當鸚鵡裝在籠子裡呈到太后面前時，奇跡出現了，鸚鵡竟對著太后用純粹京腔說：「給老佛爺請安，老佛爺萬歲萬歲萬萬歲！」這一來老太后可大樂了。這年的壽禮中袁世凱的鸚鵡出盡了風頭。
北洋大臣時代的袁世凱，儼然已是當代名臣，這一時期他集中智慧和心計在培養自己的力量，他練新軍、辦軍事學校，加強自己的幹部。對於幹部除了用金錢收買外，還使用一套舊社會的統御術，讓這些幹部認他做義父或是老師，至於和那些有名望、有地位的王公大臣們，則用結成兒女親家或拜把兄弟來加強聯繫；對武備學堂畢業的學生，則收他們作義子或門生；對一般北洋軍的士兵們，則指使私黨在各營中供奉袁的「長生祿位牌」；同時經常散播：「袁宮保是北洋軍的衣食父母，有了袁宮保就不怕沒有陞官發財的機會。」
他懂得曾國藩和李鴻章成功的因素，由於時代不同，他沒有靠戰爭建立武力的機會，但他卻因為列強欺侮而獲得練建新軍的機會，因此他仍可以媲美曾、李。他和曾、李都遭遇到同一個難題，就是漢人無論替清廷出了多少大力，但最終都不會得到清廷的信任，這就是當年曾國藩惴惴不安的原因。所以他在功業一帆風順的過程中，並不自足，相反地經常都保持了高度的警惕，盡可能地把清廷貴胄拉出來作為掩護，以減少清室貴族對他的猜忌心。所以他在山東巡撫任內，就奏調旗籍道員蔭昌佐贊軍務；署理直隸總督時，則挑選八旗子弟3000人參加新軍訓練，同時奏保旗籍道員鐵良為京旗練兵翼長，參預新建陸軍訓練工作；實授直隸總督後，建議成立京畿督練新軍處，推舉奕-為督練大臣，而自任副手。這一切都說明袁在壯大自己力量的時候，對於消除滿人的猜忌，化了極大的心機。