袁世凯料到，新建陆军是创练新军的模范，将来再度添练新军，必定是由这支军队抽调骨干担任教练，这样自己便成了全国新军的总首领。于是，他“每日与士卒共奔走”，“汰弱募强，拟订规则，考将弁，申号令，殊形忙苦”，事无巨细，靡不亲躬，将全部心血倾注到练兵中。
光绪二十四年（1898年）戊戌变法期间，袁世凯的新建陆军与董福祥“甘军”、聂士成“武毅军”，一同隶属于直隶总督荣禄之下，并称“北洋三军”。戊戌变法失败后，清廷建“武卫军”。武卫军分为前、后、左、中、右五军。荣禄任武卫军统帅兼统武卫中军，聂士成统武卫前军，马玉昆统武卫左军，袁世凯统武卫右军，董福祥统武卫后军，每军9000余人。武卫右军即由新建陆军改编而成，兵员万人，是武卫军中最完整、最精锐的部队。
当时，地方汉族地主士大夫凭军事实力进入中央津要，左右政局，打破了清入关以来满族贵族独揽大权的一统天下。清廷中满人对汉人的猜忌和排挤空前严重，甚至有留洋的满洲贵戚子弟疏请对汉人“禁兵、禁文”。因此，武卫中军以重新招募精壮旗丁为主，1万余人，规模建制参照新建陆军，以期监视或镇压其他汉人编组的军队。武卫前、后、左三军以燕陇旧旅改编，保存了旧勇营的组织和习气。虽然荣禄限令他们就地整编，但进展迟缓。
光绪二十六年（1900年）初，袁世凯补授山东巡抚，带武卫右军赴山东。袁世凯将山东旧军34营改编成步、马、炮20营，定名为武卫右军先锋队，共1万余人。经过八国联军之役，武卫军的前、后、左、中四军除左军马玉昆部外，几乎全都崩溃。但武卫右军不仅没遭受损失，反而得到扩充，成为北方最强大的一支武装力量。
《辛丑条约》签订后不久，李鸿章病故。光绪二十七年十月，清廷授袁世凯署直隶总督兼北洋大臣、赏戴双眼花翎加太子少保。他奏陈改革军制，拟定“新军募集操练规则十九条”，获准。袁世凯大权在握，大举扩充军队，将武卫右军调回小站进行训练，并添置洋枪洋炮，加强兵力。先是，署两江总督张之洞调湖广总督，其于南京编练的悉仿德制、全部新式装备的十三营“自强军”，由两江总督刘坤一接办。刘坤一将洋将洋弁一律资遣，改由江南提督李占椿统带全军。此时，清廷命将“自强军”交由袁世凯酌量分布训练，袁世凯的军事实力进一步得到扩充。
小站练兵（7）
袁世凯计划先编常备新军左、右两镇。镇实际上是新军的最高单位，每镇下辖步队2协，马队1标，炮队1标，工程队1营，辎重队1营，军乐队1队；步队每协2标，步、马、炮每标3营，步、马、工、辎每营4队，炮每营3队，步、炮、工、辎每队3排，每排3棚，马队2排，每排2棚；各种队伍每棚目兵均为14名，全镇官兵共12512名。当时所谓镇、协、标、营、队等于现在的师、旅、团、营、连。军是战时组织，视敌情或两镇一军，或3镇、4镇一军。统军将领、即后来的军长称“总统”或“军统”；统镇将领即后来的师长称“统制”或“翼长”；统协将领、即后来的旅长称“协统”；统标将领、即后来的团长称“标统”，统营将领、即后来的营长称“管带”；“队官”或“哨官”就是后来的连长；“帮带”或“督队官”就是后来的副营长。还有一种混成协，是不同兵种混合组成的旅，规模较普通旅大。
清廷在批准袁世凯所奏训练新军条例的同时，命各省严行裁汰绿营防勇，精选若干营，按新军营制，编练常备军，其余编为续备军，加强洋枪操练。然而，各省督抚多采取敷衍塞责的态度，所练新军，或由绿营、防军、练军改头换面，或临时募集以充其数，致使各“新军”领导不一，训练不力，装备不齐，与清廷改革武备的目的格格不入。清廷遂于光绪二十九年（1904年）设立练兵处。由袁世凯任练兵大臣；以袁世凯心腹徐世昌为总提督；王士珍为军政司正使；冯国璋为军学司正使；段祺瑞为军令司正使。练兵处职权非常广泛，凡新军章制操法、将领奖惩升迁、军官培养、派员留学及购置枪炮弹药、后勤马匹等无所不包。练兵处既是新军编练的最高领导机关，又是新军编练的督察机关。光绪三十年五月，袁世凯改武卫右军为“北洋新军”，成立3个镇，计63营，每镇辖步、炮、马、工、辎21营，扩兵到万人。光绪三十一年改为“北洋常备军”，又新建3个镇，军队扩充到8万人。除第1镇由满人铁良统率外，其余5镇都是袁世凯的嫡系，主要将领均为小站练兵出身。著名的北洋六镇就此形成，这是清末新式陆军的基础力量，也是后来北洋军阀的渊源。
到光绪三十一年十月，练兵处合并到陆军部前，袁世凯共练成新军9镇4混成协，清末新军主体基本练成。
19世纪中期以后，勇营代替绿营，淮军代替湘军，然直到新建陆军代替以淮军为代表的防军，中国军制方从根本上发生重大转折。淮军虽逐渐装备了西式武器，但好比放大小脚的女人——本质上仍是旧式的、传统的，新建陆军则是当时装备最精良、最先进的军队，实开中国军队近代化的先河，这其中，袁世凯功不可没。
作为19世纪中期凭军事实力进入中央津要的地方汉族地主士大夫的第三代子弟，袁世凯将其父祖的治军发挥到了极致，发展到了新的层次，同时也保持了其本质的特点，即所练新建陆军的私属性。这支近代化的军队没有在抵抗列强侵略、保卫国家人民方面发挥重要作用，而是成为以袁世凯为首的庞大的军事政治集团——“北洋军阀”崛起的筹码。小站练兵起家的北洋军阀后来出了4个民国总统——袁世凯、冯国璋、徐世昌、曹锟；6个民国总理、陆军总长——段祺瑞、王士珍、段芝贵、唐绍仪、张怀芝、靳云鹏；34个督军。此是后话。
小站练兵的初始阶段，袁世凯并非一帆风顺。练兵三个多月时，袁世凯因跋扈擅权、克扣军饷、诛戮无辜遭到言官参劾。然奉旨查办的荣禄，在袁世凯的巴结逢迎下，以及第一次目睹洋操之效、欲将其收为己用的私心影响下，回护了袁。荣禄不但以“查无实据”疏请清廷“勿庸置议”，而且赞袁“血性耐劳，勇于任事”，是“不可多得”的将领。此后，袁世凯愈益投靠荣禄，仰仗荣禄而自固。光绪二十三年（1897年）六月，袁世凯因练兵有功，晋升直隶按察使，仍专管练兵事宜。其官运开始亨通，他最重要的目标——以军事实力进入中央津要，达到了。
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戊戌前后（1）
光绪二十四年（1898年）四月二十三日至八月初六，代表民族资产阶级上层的维新派，通过光绪帝发动了戊戌变法。戊戌变法前后仅实行了百余日，又称“百日维新”。
袁世凯是戊戌变法中的重要人物。特别是长期以来人们普遍认为，袁世凯出卖了光绪帝和维新派。由于袁世凯的告密，慈禧提前回宫发动政变，临朝训政，囚禁光绪，捕杀“六君子”，使戊戌变法失败。
具体说法是：光绪二十四年四月二十三日，光绪帝颁布“明定国是”诏书，宣布开始变法。接下来的短短100多天中，光绪接连发布了100多道新政诏书，有时一日数令，倾泄而下，令人目不暇接，最多一天竟颁布了11条维新谕旨。对于这些变法，守旧派推宕拖延，全力阻挠，新政无法实行，诏谕全成空文。而慈禧和光绪的分歧也越来越大，帝、后两党形同水火，势不两立。七月三十日，光绪帝颁密诏给杨锐，中有：“朕位且不能保，何况其他？”他意识到自己处境危险，流露出焦急心情，嘱维新派妥筹良策。八月初二日又由林旭带出第二道密诏，令康有为“汝可迅速出外，不可迟延”。康有为、梁启超、林旭、谭嗣同等维新派核心人物跪诵密诏，痛哭失声，誓死搭救皇帝，决定实行兵变包围颐和园，迫使慈禧太后交权。八月初三，谭嗣同夜访法华寺，会见袁世凯，说袁举兵杀荣禄，围颐和园，对慈禧太后则或囚或杀。袁世凯慨然应允，送走了谭嗣同。但他八月初五日向皇帝请训，当天乘火车回天津，却向荣禄告密。当夜，荣禄赶回北京告变。八月初六日晨，慈禧发动了政变。
1970年，台湾学者黄彰健发表了一篇具有影响力的论文——《论戊戌政变的爆发非由袁世凯告密》。1980年代后，大陆学者在较宽松的学术氛围下，利用第一历史档案馆所藏当时档册，准确订正出慈禧回宫的时间不是八月初六日，而是八月初四，从而使八月初五荣禄得袁世凯密报后“闯园告变”的旧说失去时间和空间的凭借。
据袁世凯本人的日记《戊戌纪略》记载：八月初三日，谭嗣同深夜造访，再三要求袁世凯举兵杀荣禄，包围颐和园，并说：“不除此老朽（指慈禧太后），国不能保。”袁世凯闻言大惊，敷衍推诿，不肯答应。哄走谭嗣同，八月初五日回到天津后，袁世凯立即积极主动向荣禄告密。又由荣禄报告慈禧太后，慈禧太后于八月初六日晨发动戊戌政变。这是认为由于袁世凯告密而致使慈禧太后发动戊戌政变、扼杀戊戌维新的重要根据。
海峡两岸诸多学者指出了其中的重大疑点：第一，“杀禄围园”、囚杀慈禧、发动军事政变，这是十万火急的天大事件。袁世凯告密若果真属于积极主动，他完全应该、并且可以在第二天，即八月初四日，立即在北京告密。中央权贵大臣奕劻、刚毅是西太后心腹，也都是袁的朋友，如果袁世凯决心告密，他完全可以初四日在北京找他们告密。但他没有这样做，初四日一整天无所动作，事隔一天，才绕了一个大圈子跑到天津去向荣禄告密。第二，据袁世凯说，初五日返津见荣禄，刚要告密，“略述内情”，忽有客叶祖圭等人来访，因此欲言又止，只好等次日再说。谭嗣同已募勇士数十人在京，慈禧有旦夕之祸，事关紧急，袁世凯完全应该、也可以禀明荣禄有要事相告，设法把客人支走。只因有客人即将此事拖延一天，于理不通。第三，第二天即八月初六日上午，荣禄来访，袁世凯和盘托出维新派围园杀太后之谋，按理荣禄应立即驰京报信，两人却为如何保全光绪“筹商良久，迄无善策”，又耽搁了一整天，当时处于险境的是慈禧而不是光绪，按袁世凯日记，荣禄的做法有悖常理。第四，时间上显然有矛盾。慈禧太后发动政变、实行训政是在八月初六上午。袁世凯八月初五上午觐见光绪帝后，即乘火车回天津。袁世凯日记中说：“抵津，日已落。”袁赶到荣禄处告密，当在夜间。即使当时荣禄得知了围园之谋，也难以于当夜赶到北京，将其情上报。因为当时京津之间的火车开通不久，没有夜车，且缺乏夜间行车的设备、经验与技术，谁都不可能下令加开一次夜车。更何况当时荣禄有客人，袁世凯欲言又止，荣禄是第二日即八月初六才得知实情，两个人却又耽搁了一天。而慈禧太后八月初四即已返回大内，控制了光绪，八月初六上午已经正式宣布训政。
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戊戌前后（2）
此外，慈禧太后政变之初，捕拿维新派名单中只有康有为兄弟，没有谭嗣同。且上谕中康有为的罪名是“结党营私，莠言乱政”，罪名较轻。如果慈禧太后是得到袁世凯告密后才发动的政变，那么围园劫太后之谋是大逆不道、罪在不赦的首罪，应首言之；而往说袁世凯围园劫持太后的谭嗣同是“逆首”，应列于捕拿维新派名单之中。可知慈禧太后发动政变时还不知有“杀禄围园”、劫持太后之谋。
据此，上述学者以为，慈禧太后发动政变、出而训政，与袁世凯告密无关，而是新旧两党长期矛盾积累的结果，是守旧派的既定步骤。袁世凯日记《戊戌纪略》所记，不足为凭，是袁世凯为平息传言、洗刷自己、塑造始终忠于朝廷的形象而精心编造的谎言。
尽管如此，也有一些学者认为，慈禧政变并非与袁世凯告密无关。
有个别人提出，袁世凯告密不是在八月初五日返回天津之后，而是在见到谭嗣同后的八月初四，袁世凯告密是造成慈禧提前回宫发动政变的最直接原因。
袁世凯的儿子袁克齐后来回忆，他曾听见老家人卞爽琴说：
记得是戊戌那年，有一天下午八点多钟，忽然有一个人求见袁大人。门上拦不住，他直入大人书房。当时我们在窗外偷看，看见大人精神很不安。那个人态度很严肃，一手拿着手枪，一手拿着一个簿子，请大人在簿子上签名。大人开始有为难的样子，最后还是签了。过了一会儿，就端茶送客。那人走了以后，大人就匆匆去某亲王处。过了几天，听说太后把光绪皇帝囚在瀛台，把谭嗣同、康广仁等六个人杀了。后来才听说，那天晚上来的那个人就是谭嗣同。
多数人认为，袁世凯告密虽在政变之后，没有直接导致政变，但却致使事态扩大，令大批维新派被捕、被革、被逐，“六君子”被杀，变法彻底失败，因此袁世凯告密仍然与慈禧政变摆脱不了干系。
当京津一带盛传秋天慈禧与光绪赴天津阅兵之际光绪将被废黜时，维新派几经筹商，由康有为上密折建言：请仿日本参谋本部，选天下虎罴之士、不二心之臣于左右，上亲擐甲胄而统之。
康有为对几个握有重兵的将领进行了分折，认为袁世凯“夙驻高丽，知外国事，讲变法，昔与同办强学会”，可为“虎罴之士、不二心之臣”。于是，光绪于八月初一召见袁世凯，破格赏候补侍郎，专责练兵事务，并随时具奏应办事宜。此举引起后党惊惧，荣禄谎称英俄在海参威开战，大沽口外战舰云集，将聂士成军调驻天津、董福祥军调驻北京长辛店，命袁世凯迅速回防，以防他变。京津气氛顿时紧张。维新派决定铤而走险，由谭嗣同去游说袁世凯，举兵勤王。
戊戌政变前夜，谭嗣同夜访袁世凯，是中国近代史上的重要事件。毫不夸张地�