1908年11月光绪帝和慈禧太后相继病死，年幼的溥仪继位，改元“宣统”，其父载沣为摄政王。载沣因为反对袁世凯的很多新政措施，更因为戊戌政变一事（他怀疑袁世凯出卖维新派，致使光绪被慈禧太后幽禁至死），对袁世凯非常痛恨，成为摄政王后立即解除袁世凯的官职，袁称疾返回河南，最初隐居于辉县，后转至安阳。袁在此期间韬光养晦，暗地里仍关心政事，等待时机复出。被解职的袁世凯回到了河南安阳的洹上村，过起了赋闲垂钓的生活。并写了名为《自题渔舟写真二首》的两首诗，其中的一首“百年心事总悠悠，壮志当时苦未酬。野老胸中负兵甲，钓翁眼底小王侯。思量天下无磐石，叹息神州变缺瓯。散发天涯从此去，烟蓑雨笠一渔舟。”
1911年10月10日武昌起义，1911年11月1日清廷宣布解散皇族内阁，任命袁世凯为内阁总理大臣。11月13日袁世凯抵达京师，16日组织新内阁。其成员是：外务大臣梁敦彦，民政大臣赵秉钧、度支大臣严修、学务大臣唐景崇、陆军大臣王士珍、海军大臣萨镇冰、司法大臣沈家本、农工商大臣张謇、邮传部大臣杨士琦、理藩大臣达寿。并以胡惟德、乌珍、陈锦涛、杨度、田文烈、谭学衡、梁启超、熙彦、梁如浩、荣勋分任各部副臣。
就任总统
1911年10月10日武昌起义，辛亥革命爆发，南方各省纷纷宣布独段祺瑞立。北洋新军成为清室唯一可以抵抗革命的力量，于是再用袁世凯，先任其为湖广总督，旋任其为内阁总理大臣。袁世凯一面以武力压迫南方革命，另一方面暗中与革命党人谈判。革命党人也认为袁世凯是能领导中国的政治领袖。12月29日，南方十七省选出孙文担任中华民国第一任临时大总统，1912年1月1日在南京宣布民国成立，孙文就任。当时革命党节节败退，武汉三镇已被袁世凯北洋军攻下两镇。1月16日，袁世凯回家路上，在东华门丁字街遭到同盟会京津分会组织的炸弹暗杀，炸死袁卫队长等十人，袁世凯幸免于难。为了结束南北对立，1月25日，袁世凯及各北洋将领通电支持共和。2月12日，袁世凯逼清帝逊位，隆裕太后接受优待条件，清朝对中国的统治宣告终止。
1912年2月15日，南京参议院正式选举袁世凯为临时大总统。依据中华民国临时约法，改总统制为内阁制，大大削减袁世凯的权力，但袁坚持于3月10日在北京就职。[6
折叠宋教仁事件
1913年2月，依据临时约法，举行了中国历史上第一次国会选举。国民党所得议席最多，按约法精神应由该党理事长宋教仁出任内阁总理。3月20日，宋教仁却在上海遇刺身亡，全国大哗。革命元勋孙文、黄兴等指袁氏授意暗杀，袁世凯则予以否认；当时之证据指向时任国务总理赵秉钧涉嫌教唆杀人，而宋案凶手武士英则是共进社成员，属国民党阵营。宋教仁案成为历史之谜。当年7月孙文组织了中华革命党，发动二次革命，武力讨伐袁世凯，遭到失败。二次革命开创了民国武力解决争端的先例，也开创了民国军阀混战的先例。10月6日，国会选举袁世凯为第一任大总统，袁世凯随即于北京故宫太和殿就职。11月4日，袁世凯下令解散中国国民党，并收缴国民党议员证书。国会因人数不足而无法开会。1914年1月，袁世凯悍然下令解散国会。袁坚持“人民滥用民主自由、人民政治认识尚在幼稚时代”，废止中华民国临时约法，于5月正式推出新的《袁氏记法》，改内阁制为总统制。之后再修改总统选举法，总统任期10年，任届没有限制，可指定三个新总统候选人。
签订二十一条
1915年1月18日，日本驻华公使日置益晋见袁世凯，递交了二十一条要求的文件，并要求袁政府“绝对保密，尽速答复”。二十一条共分五大项：①承认日本继承德国在山东的一切权益，山东省不得让与或租借他国。②承认日本人有在南满和内蒙古东部居住、往来、经营工商业及开矿等项特权。旅顺、大连的租借期限并南满、安奉两铁路管理期限，均延展至99年。③汉冶萍公司改为中日合办，附近矿山不准公司以外的人开采。④所有中国沿海港湾、岛屿概不租借或让给他国。⑤中国政府聘用日本人为政治、军事、财政等顾问。中日合办警政和兵工厂。武昌至南昌、南昌至杭州、南昌至潮州之间各铁路建筑权让与日本。日本在福建省有开矿、建筑海港和船厂及筑路的优先权等等。
二十一条要求严重损害了中国的主权，袁世凯不敢立即表示接受。消息一经传开，反日舆论沸腾。欧美列强对日本损害他们在华的侵略权益一致不满，纷纷给予抨击。正式谈判于1915年2月2日开始。日本以支持袁世凯称帝引诱于前，以武力威胁于后，企图使袁世凯政府全盘接受。中国人民反日爱国斗争日趋高涨，日本见事态严重，便一面宣布第五项为希望条件，属于劝告性质；一面提出新案，内容与原要求一至四项基本相同，仅将若干条文改用换文方式。5月7日日本发出最后通牒，限48小时内应允。袁世凯指望欧美列强干涉落空，便以中国无力抵御外侮为理由，于5月9日递交复文表示除第五项各条容日后协商外，接受日本的要求。5月25日在北京签订了所谓“中日条约”和“换文”。
二十一条是日本帝国主义以吞并中国为目的而强加于中国的单方面“条约”，袁政府事后也不得不声明此项条约是由于日本最后通牒而被迫同意的。此后历届中国政府均未承认其为有效条约。
洪宪帝制
1915年12月，在国会、民众请愿团（妓女请愿团、乞丐请愿团[1]）、筹安会和各省国民代表的推戴下，恢复了君主制。袁世凯多次揖让，最终接受皇帝之尊号，建立中华帝国，以1916年为洪宪元年，行君主立宪政体，把总统府改为新华宫。12月23日，袁世凯身着衮冕在天坛祭天，并拟定于1916年1月1日举行登基大典。袁世凯即位后，拟定《新皇室规范》，其中包括“亲王、郡王可以为海陆军官，但不得组织政党并担任重要政治官员；永废太监制度；永废宫女采选制度；永废各方进呈贡品制度；凡皇室亲属不得经营商业，与庶民争利。”然而，孙中山、梁启超等人坚决反对帝制，北洋将领段祺瑞、冯国璋等也深为不满，段祺瑞致电袁世凯：“恢复国会，退位自全”。12月25日，蔡锷、唐继尧等在云南宣布起义，发动护国战争，讨伐袁世凯。贵州、广西相继响应，1916年3月22日袁世凯被迫宣布退位，恢复“中华民国”年号，起用段祺瑞为国务卿兼陆军总长，企图依靠段团结北洋势力，压制南方起义力量，但起义各省没有停止军事行动。5月下旬袁世凯忧愤成疾，1916年6月6日，袁世凯因尿毒症不治而亡，时年57岁。同年8月24日正式归葬于河南安阳。
袁世凯被后人指责最多的是他称帝问题。其实袁世凯袁世凯的年号“洪宪”是弘扬宪法的意思。袁世凯所谓的弘扬宪法，不过是欺瞒国人的把戏而已。当时倡导袁世凯君主立宪的有杨度、严复、刘师培、孙毓筠、李燮和、胡瑛等。
袁世凯称帝，与杨度等君主立宪人士蛊惑及长子袁克定迷恋太子权位是分不开的，其中最严重的是袁克定伪造《顺天时报》，营造日本支持袁世凯称帝的氛围（此事被袁世凯次子袁克文和女儿袁叔桢无意中发现），袁世凯曾责袁克定“欺父误国”。袁世凯死后，王士珍、张镇芳等打开金匮石屋，找出了袁世凯留下的继承者的提名，只见上面亲笔写着：黎元洪、段祺瑞、徐世昌。（按照《大总统选举法》（袁世凯修改过后）的规定，前任总统所推荐的三人，将作为总统的候选人，从三人中选出一人为总统，名单写于嘉禾金简，藏于金匮石屋内。）
“洪宪”宪法
袁世凯称帝逆历史潮流而行，但事实上，没有人知道他想要的究竟是一个什么样的帝制。
近年学界不断有新论指出，袁世凯改元“洪宪”，即弘扬宪法之意。从颁布的“新皇室规范”中可以看出一些“新”内容，比如某些对于皇权的监督机制和法律：自亲王以下至于宗室，犯法治罪与庶民一律；亲王、郡王可以为海陆军官，但不得组织政党，并担任重要政府官员；永废太监制度；凡皇室亲属不得经营商业，与庶民争利，等等。
“袁世凯很清楚，过去的君主专制制度已经玩不下去了。他本人也曾是晚清立宪派的领袖人物，并在天津试点推行普选，产生议会。”袁世凯研究专家、广州市社科院研究员刘路生表示，袁世凯并没有一个完整的制度建设构想，历史给他的时间太短了。民国初年纷争不已，让他忙于应付，根本来不及着力于此。
但刘路生同时又认为，以袁世凯的个性，他应该也不会愿意成为一位“虚君”。有人揣测，袁可能是想选择日本或德国式的君主制。袁世凯的长子袁克定自幼起即随袁世凯去朝鲜及山东、直隶各地，并曾留学德国，对德国的强大和君主制印象十分深刻。