议和之前，袁世凯认为“和议将开，筹办善后，自以抚恤被扰教民为第一要义”，主动命令州县官吏亲赴各乡验查教民被“扰害”数目，将团民财产分别查封变价，作为抚恤之用。泰安知府觉得这种做法流弊甚多，建议只毁拳厂，“捕其甘心为匪之人”，不要查抄房产。袁世凯览禀勃然大怒，立即批令：“查标封拳厂房地及查抄拳匪财产等项，变价充公，即以此款作为抚恤之用，本部院原为一惩一恤，事属两得；且惩此等误国病民之匪，立法不得不严。……盖亦辟以止辟之意耳！察核来禀情词，殊未达立法本意。至于勇役邀功，仇家扳指，只是法外之弊。是在奉法者随时认真厘剔，未可因防弊而遂废法也。仰即督饬所属，遇有拳匪财产，仍遵前檄，严行查办，不得使志在掠夺者破人之家，肥己之产，因而终享其成，以挽颓风而正民纪。”州县只好遵办。可是有些县如馆陶、莘县，查来查去，无产可抄，不得不据实呈复。袁世凯斥责他们意存徇纵，两面见好，严厉警告说，如不认真查封，所有应需抚恤款项，即由他们自行筹备或自行垫赔。所请拨发恤款，概不批准。州县官是不会自掏腰包的，这笔负担自然落在老百姓身上。教民思图发财，报复泄忿，任意捏报，索求不已，稍不满足，即有“觖望”。袁世凯非常担心由此引起洋教士不满，急忙下令定要优予抚恤。凡有“觖望”者，应再量予抚恤；未经抚恤者，随时酌量补发；焚毁的教堂房屋应概行修补；团民财产不足，州县设法垫付，不得吝小失大，贻误大局。
袁世凯对教士、教民尚且如此，对八国联军更可想而知了。1900年11月，有个英国领事听说武定府刊印劝令义和团抵挡洋兵的告示，发电质问袁世凯。袁世凯怕得要死，立命查明。武定府呈复说，告示是有，但那是在奉旨“奖励拳民”之后，因其势大，为诱其出省刊印的，并将告示附上。袁世凯见其中有“洋人罪大恶极，无不立见消亡。谕尔拳民义勇，均各效力疆场。……速赴前敌助战，毋得羁留故乡”等语，立即申斥他们“措辞甚不妥协”，命“尽行销毁，俾免别滋口实”。
12月初，八国联军进犯直隶南部，每至一地，便大发兽性，烧杀淫掠，无所不为。邻近的山东各县纷纷告警，请示办法。袁世凯认为，山东省的义和团已经剿灭殆尽，洋兵似无借口来犯；又从德国驻京公使穆默、驻青岛官员和传教士那里得知八国联军并无由直隶赴山东的意思，便告诉他们：洋人必然不到山东来，“即使相犯，待之以礼，断不至兵刃交加”，要镇定自持，切勿惊慌。同时致电穆默等人，乞求八国联军不要入境。时隔数日，未得到穆默的回电，他不知八国联军的许诺是否改变，心里很紧张，急忙筹备“预防”。他告诉各县的“预防”办法是：赶造山东界牌，多多在直隶、山东交界地方竖立，使洋兵一见便知，以免误会；万一洋兵误入界内，官员应驰往拜谒，优礼相待，婉为商阻，“以全睦谊”；严行约束队伍，认真弹压地方，勿任搆衅生事；将队伍移驻距边界较远之处，以示无开衅之意；如商阻不听，飞速禀报，“非奉有本部院号令，千万不可轻开边衅”。各县闻命，日夜赶造高大界牌，上写山东某县某村和年月日，在交界处及村庄、交通路口广为竖立。许多村镇还用白垩在墙壁上写了“此山东境”几个大字。同时派遣人员购买大批牛、羊、鸡、鸭等犒劳品，供八国联军到来时啖嚼。
另外，袁世凯在清廷对列强“宣战”以后，还一再上书清政府，请求保护驻京各国公使，保护洋商、教士及其财产，就德国驻京公使克林德被杀事件向德国道歉，抚恤被害的洋人。与刘坤一、张之洞合奏，请授李鸿章以议和全权。密电荣禄，设法促使清政府答应列强惩凶的要求，委曲允诺奕劻、李鸿章同列强议定的条约大纲十二条。
袁世凯认定，若要“维持大局，其要先在保全东境；保全东境，其要先在断绝匪踪”。筹办防务，“其要仍在先缉办内地匪徒。匪徒不来，洋兵亦不至分道东来”。总之，“剿匪”保教“为第一要图”。故中国军民抗击八国联军的战斗一打响，袁世凯就向邻近直隶的州县和驻军下达了命令：“直匪以闹教为名，驯至聚众倡乱，引敌深入，败坏大局，极堪痛恨！如犯东境，应即迎头痛剿，以资惩创！”同时“分缮谕单，派员饬赴各属剀切示谕，果系忠愤义民，欲为国家效力，谕令其即日驰往天津等处，帮助官军齐心拒敌，以伸同仇之忱。倘畏葸不前，仍复结党横行，抢掠滋事，即系乱民而非义和”。
自此之后，袁世凯即以团民均赴前敌助战为借口，把山东境内和由直隶进入山东境内的团民一概目之为“黑团”、“土匪”、“乱民”。他数次颁发《严禁拳匪暂行章程》，主要内容有：州县官吏必须认真访查缉办，倘所管境内有设厂教习者，即将该管州县“照纵匪例从严参办”；庄长、首事、地保必须随时禀报，如“徇隐不报”，即加监禁；“与匪相通”，“即行正法”；父兄纵听子弟学拳，除将子弟正法外，父兄监禁三年；所有拳厂，一律毁平，某家设厂，即将该家家产充公；告发某家设厂者，“将该犯家产提出一半，赏给告发之人”；拿获“匪首”送案者，“将该犯家产全数赏给”；设厂之邻人知而不报者，“提案严办”，“窝留者与匪犯同罪”。命令州县清查保甲，编发门牌，实行十家连坐；大办地主武装团练，跟踪追击；命令军队认真梭巡，扼要堵缉，分头查拿，合力围捕，“无论其拳不拳，但问其匪不匪”，一经发现，即“驰往痛剿”，“按照土匪章程从重惩办”，“倘敢拒捕，格杀勿论”！务必“悉数歼除”，“无留馀孽，以杜窜扰，而尽根株”。他不仅命令军队在山东剿捕，而且越境到直隶剿捕，以剿为防；不仅命令军队“格杀勿论”，而且授权州县“权宜行事”，就地正法当场拿获者和监候者。对屠杀“有功”的人员，他慷慨奖赏，竭力鼓励，当官的记大功，晋职衔，加俸禄；当兵的赏给银钱、功牌，存记汇保；死亡的赏葬恤银；受伤的赏养伤银。对防剿不力和专恃防营的官员，他毫不留情，不是斥之为“怯懦不前”，就是责骂为“姑息养奸”，摘去顶戴，记几次大过，勒限严缉。并威胁他们：倘再不能预为防范或逾期不获，一律严行参究！
袁世凯到底杀了多少团民，难以进行确切统计。拿张勋的先锋队后路左营来说吧，1900年7、8、9三个月，在海丰县南关一次击毙一百多名；在阳信县东门书院击毙五百馀名，生擒五十馀名；在蒲台县双台击毙五百馀名，生擒二百馀名；在滨州小范家击毙一百二十馀名，生擒三十馀名；在盐山小酆家击毙二百一十馀名，生擒二十七名。但这只不过是其上报的一部分。据其探勇尹占魁讲，共杀数千人；据在其营避过难的沧州教堂学生井文魁讲，眼见剿毙万馀人。其他军队杀的亦不在少数。如雷震春部在青城县皂李家庄一次即打死一千三百馀名。袁世凯的部下孟继武估计，山东全省被当场击杀和送县或解省正法的团民，约有数万馀人。袁世凯则告诉外国人说共杀四千馀名，或言“东省拳匪剿办殆尽”。
袁世凯剿团保教的赫赫“业绩”赢得了西方列强的一致赞赏。英国驻烟台领事在一份报告中指出：“我们目前在烟台所处的地位是相当稳固和平静的，……我们之所以能够继续留在此地，我认为几乎完全是由于巡抚所采取的态度；无论他的动机怎样，据我的意见，他已经尽力用他掌握的军队把义和拳逐出本省，而且当他所管辖的地区内发生骚乱的时候，将骚乱镇压下去。他的僚属自然遵循他的榜样。直到目前为止，山东没有被卷入那个势将席卷它的叛乱和掠夺的浪潮。”对袁世凯表示十分钦佩和感激。当然，由于他的“功劳”，西方列强亦对他格外照顾，南侵的八国联军一看到山东界牌和村镇墙壁上书写的“此山东境”几个大字，便掉头而回，不相进犯。
山东官僚、地主见袁世凯能够“怀柔远危”，使“四夷钦服”，八国联军不入山东，又对之“齐声感颂，而顶礼日呼东省之福星广被矣！”
然而，袁世凯一再借故拖延勤王这一事实，是难免不使生性多疑、残忍狠毒的慈禧太后不快的，更何况他在敷衍朝廷方面尚有破绽可寻呢！如果慈禧太后将来追究，他纵有百口千舌，亦难以自明，再说慈禧太后届时也不一定容他自明。思虑及此，他有些心虚后怕。为了消除怀疑，取得信任，不能不想一些补救办法。他继续走荣禄的门子，几次敦请荣禄赶赴行在，作为奥援。他在北京陷落后对慈禧太后表现得格外恭顺。慈禧太后叫解款接济经费，他竭力奉送。1900年8月29日上折说：“伏念山西素号瘠薄之区，资用匮乏。……无论东省库款如何支绌，必须设法筹解，以备饷糈。现于藩、运各库中，先行凑集银十万两，……星夜趱程前往。”把截存安徽运解北京的饷银十一万六千两、江苏的五万零五百两一并送去。最后表示：仍当随时赶筹巨款，源源接济。后又派人送去银二十一万两、贡缎二百匹以及大量食物。慈禧太后命将军火送西安供保卫之用，他立即照办，送上一大批。和约将成之际，他派姜桂题率马步炮队北上，弹压京畿一带，准备迎接慈禧太后回銮。慈禧太后出逃之时，惶惶如丧家之犬，急急似漏网之鱼，什么都来不及带，有时不得不饿着肚皮赶路。得了袁世凯的接济，犹如雪中送炭，见其如此忠心，而且对未能“追随警跸”万分“悲悔”，一团疑云顿时消散。另外，袁世凯还和张之洞、刘坤一合筹两万五千两银子，接济留京和追随慈禧太后西逃的官员，博取好感。
袁世凯在极其错综复杂的境况下应付裕如的手段，又获得封建士大夫的同声喝彩，奉送其一个“才堪应变”的美名。
1901年11月李鸿章病逝。同月7日，清廷授袁世凯署理直隶总督兼北洋大臣。
北洋政绩
1901年11月20日，袁世凯把山东巡抚任内诸事交待完毕，次日起程北上，26日行抵高阳，护理直隶总督周馥也派人携带总督大印到此迎候。由于当时天津为八国联军所占领，尚未交还中国，袁世凯遂于次日到保定走马上任。
11月28日，慈禧太后以袁世凯“共保东南疆土，尽心筹画”，“卓著勋劳”，加其太子少保衔。
袁世凯任山东巡抚不到两年，即一跃而为直隶总督兼北洋大臣，位于各省督抚之上，声势显赫，炙手可热。其所以爬得这样快，得到如此尊荣的头衔，除了受到列强的器重，镇压义和团“有功”，讨好慈禧太后外，还有一个重要原因，这就是只有他的军队才能担负起拱卫清王朝中枢的重任。过去，负责京畿一带防务的是荣禄统率的武卫军。在同八国联军作战的过程中，聂士成的武卫前军全军覆没了，荣禄自统的武卫中军解体了，董福祥的武卫后军护送慈禧太后到达西安后五千多人被解散了，宋庆的武卫左军所存人数不过一半，惟独袁世凯的武卫右军这支近代化的部队完整无损地保存了下来。不仅如此，袁世凯在山东还改编、训练了武卫右军先锋队，军队数量比原来增加了两倍。在这种情况下，慈禧太后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。
1901年10月，慈禧太后带领出逃官员由西安开始返京。在陕西、河南走了两个多月，到12月下旬方才进入直隶境内。袁世凯早就做好了恭迎大驾的周详准备，把一座保定行宫布置得光彩夺目，富丽堂皇。为了表示恭敬，他先期赶到省界恭候。26、27两天，慈禧太后在顺德府（今邢台市）、内丘县召见了他。1902年1月3日到达保定，停留三天，他极尽拍马溜须之能事。后又亲自护送慈禧太后进京。慈禧太后对他更加赏识，赏他穿黄马褂、紫禁城骑马。
在迎接慈禧太后回銮的时候，景廷宾在直隶广宗县领导的抗捐斗争已经开展起来。《辛丑条约》签订以后，清廷命令各省分摊庚子赔款，各州县还要向本地的外国传教士赔款。广宗县仅地方赔款就有一万多两，地方官按亩加派征收。百姓认为这是“洋差”，不愿缴纳，于是推举景廷宾为首，进行抗捐斗争。袁世凯为保护慈禧太后的銮驾，未派重兵剿捕。1902年4月，景廷宾率农民和部分义和团团民正式起义。他们抛弃了“扶清灭洋”的口号，竖起了“扫清灭洋”的大旗，抗击清军，进攻教堂，杀死法国神甫罗泽溥，周围二十多个县的群众奋起响应。列强认为这是义和团重起，要清廷派兵进剿。慈禧太后刚刚流亡归来，哪敢再惹列强不高兴？急令袁世凯从速剿灭。袁世凯火急命段祺瑞、倪嗣冲等将领带领马步炮队前往镇压。5月，攻破了起义军的重要据点件只村。不久，景廷宾被俘，起义失败。袁世凯命将景廷宾解到罗泽溥被杀的威县凌迟处死。赵洛风率数千人继起，为景廷宾报仇，亦被袁世凯派兵平定。
镇压了景廷宾起义之后，袁世凯把严禁义和团章程由八条增加到十一条，遍贴于各州县，经常不顾法律规定，屠杀义和团馀众。“苟有举发，俱付营务处审决，大都处死”。当幕僚指出“按法律宜从宽典”，不能做得太过时，他回答说：“此辈如臭虫，孳生不绝，惟有芟夷净尽，以遏乱萌！”
1902年6月，慈禧太后见袁世凯稳定了京师附近的局势，实授其直隶总督兼北洋大臣。
慈禧太后在发动戊戌政变后即有废立之意，1900年1月立端郡王载漪之子溥为“大阿哥”（皇长子），准备正式废掉光绪皇帝，但遭到一些督抚、大臣的反对和列强的抵制。其后来的所作所为，特别是与列强签订空前屈辱的《辛丑条约》，不仅引起国内被压迫阶级的强烈愤慨，而且使社会上层各阶级、阶层对清政府丧失了信心。列强虽未把她列入纵容义和团的罪魁祸首名单而坚持加以惩处，给她保留了面子，但仍把她看作顽固派的头子，对她极为不满。她感到大丢其脸，不得不将溥的“大阿哥”名号削去，与光绪皇帝同时听政，而实权仍操在自己之手。同时，为了讨列强欢心，博取列强信任，以应付国内危机，于1901年1月发布了筹办新政的上谕，并著大臣、督抚各抒所见，条议上闻。4月，成立了推行新政的主持机关督办政务处，以奕劻、荣禄、李鸿章、昆冈、王文韶、鹿传霖为督办大臣，陆续颁布了整顿吏治，调整官制，改定刑律，兴学校，派遣留学生，办理警务，准满汉通婚，奖励实业，裁减旧军，编练新军等法令。
对于新政，袁世凯是赞成的，并且在山东巡抚任内已开始贯彻执行。1901年4月25日，他向朝廷条陈筹办新政办法十条，主要有设立课官院和课吏馆，对官吏进行新式教育；学生学习实用书籍和外国学术；各省设官报局，开启民智；派遣王公和官员出国考察；设立商会，兴办商务等。以后又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。而这些不过刚刚开始，真正大力推行，则是在其任直隶总督之后。