袁世凯出卖光绪帝和参与“戊戌变法”的维新派，深得慈禧太后宠信。光绪二十五年(1899年)3月，新建陆军改称“武卫右军”。不久，袁世凯率军赴山东，被派署理山东巡抚，镇压义和团运动。冯国璋以督操营务处总办身份，将1万多人的山东勇营逐步改编为武卫右军先锋队，并曾一度率队在直隶与山东交界的德州一带，围追堵截义和团。光绪二十六年(1900年)，冯国璋参预镇压义和团运动有功，经袁世凯奏保，升为补用知府。不久被调至济南主管武卫右军和山东全省军队督操事宜。
北洋三杰
袁世凯为了在德国人面前出风头，决定举行秋操，命冯国璋、王士珍、段祺瑞昼夜加紧操练军队。光绪二十六年(1900年)秋，袁世凯邀请德国驻胶州湾总督一行抵济南观操。总督在袁世凯等人的陪同下登上观操台，只见军旗一色鲜明，队伍整肃精壮，军威凛然。时冯国璋发出洪亮的口令，队伍“一举足则万足齐发，一举枪则万枪同声，行若奔涛，立如直木”。总督当面称赞冯国璋、王士珍、段祺瑞为“北洋三杰”。
光绪二十七年(1901年)，清廷擢升袁世凯为直隶总督兼北洋大臣，冯国璋亦随之赴任。袁世凯野心很大.到达直隶后，便开始大规模地扩充北洋军。所谓北洋军是因直隶总督兼北洋大臣李鸿章、袁世凯编练新军而得名。袁世凯首先在保定设立编练北洋常备军的专门机构--军政司，该司分兵备、参谋、教练三处，冯国璋出任教练处总办。冯国璋竭力修明操法，制订章程和编练计划，从而把新旧军队的训练统一起来。使编练新军一时颇著成效。未几，清政府派冯国璋与满族官员铁良、凤山赴日本考察军事。归国后，冯国璋出任清政府练兵处军学司正使，同时督办北洋各武备学堂，兼任北洋速成武备学堂和将弁学堂督办，因此北洋军阀集团中不少军官都是他的门生、故旧，为他后来充当直系军阀首领打下了基础。
光绪三十二年(1906年)，冯国璋署理正黄旗蒙古副都统，兼任陆军贵胄学堂总办。该学堂是清廷主要为培养满蒙高级军事人才而设立的，其成员是王公世爵、四品以上的宗室以及现任二品以上满汉文武大员子弟。该学堂还附设王公讲习所，在固定时间里专召亲王们去听冯国璋讲课。冯国璋利用此机会结识了不少满蒙贵族，并赢得了清王朝的信任。于是，光绪三十三年(1907年)，冯国璋升任陆军部军咨处正使。光绪三十四年(1908年)又升任清西陵梁各庄值班大臣。
光绪三十四年(1908年)11月，光绪帝、慈禧太后相继去世，光绪帝之弟载沣辅佐其子溥仪登极执政。载沣为了集中权力并替其兄光绪帝报仇，便把袁世凯开缺，赶回河南。冯国璋怕受株连，便借口“值西陵与祭，坠马受伤”，和原配吴夫人病丧、母孙太夫人逝世为由，请辞回籍，但未得到批准。清廷仍委派他负责办理日常军务。冯国璋对袁世凯感恩图报，仍暗通音信，表示忠诚，并竭力为袁世凯东山再起创造条件。
辛亥革命
宣统三年(1911年)8月，清政府为了震慑革命人民反清斗争力量，决定在直隶永平府(今卢龙)举行秋操，冯国璋被任命为东路总统官。10月10日，武昌新军爆发了起义，迅即占领武汉三镇。清政府急忙派陆军大臣荫昌率两镇北洋军赴湖北镇压革命，同时又任命冯国璋为第二军军统，随后增援南下。冯国璋在率军南下路上，唯袁世凯的密令是听，根本不理会荫昌的指挥。当冯国璋率军途经彰德时，只身去洹上村向袁世凯请示机宜，袁世凯授意冯“慢慢走，等等看”六字秘诀，并对冯国璋说:“非筹备周妥，计出万全，断难督师进攻。”
清政府迫于无奈，只得请袁世凯出山。袁世凯得势后，马上奏请由冯国璋接替荫昌第一军军统职务。冯国璋即按照袁的指示，调兵遣将，作好进攻准备。当清廷被迫授袁世凯军政全权以后，袁世凯才命令冯国璋攻打汉口和汉阳起义新军。于是冯国璋命令部将李纯、王占元和陈光远，指挥三协北洋军轮番猛攻。起义新军面对北洋军的猛烈攻势，化整为零，躲在汉口街道两边的建筑物内狙击北洋军的进攻。冯国璋见起义新军拼死抵抗，难于长驱直入，便决定放火烧毁街道两旁的商店和民房，使起义军无法存身。
11月1日，冯国璋借风势命令冯国璋戎装士兵放火，烈火由北而南，由东而西，一时间整个汉口便成了火海，三天三夜未熄，使方圆30里的繁华商埠倾时成为一片焦土，商民损失不可计算。攻陷汉口后，11月27日，冯国璋又指挥北洋军攻占了汉阳。此一役，冯国璋被清廷封为二等男爵。正当长江一鼓可渡、武昌垂手可得之时，袁世凯为了借用革命力量迫使清帝退位交权，密令冯国璋“按兵不动”。冯国璋一时摸不着袁世凯的意图，并对袁世凯产生怀疑，于是亲自赴京托人向隆裕太后启奏，请求拨给饷银400万两，可独力平定叛乱。隆裕太后表示，400万两饷银一时难以筹划，但可以先拨发3个月的饷银，并准备临朝时召见冯国璋。不料袁世凯抢先一步见了太后，使冯国璋的如意算盘成为泡影，甚至还差一点被袁世凯干掉。不久，段祺瑞迅速抵达汉口，接替冯国璋指挥北洋军的职务。
12月15日，袁世凯命令冯国璋离汉赴京，任禁卫军总统，兼察哈尔都统。禁卫军是光绪三十四年(1908年)组建的一支保卫清王朝的武装，共一师二旅，计1.2万人。除步兵第三标是汉人外，其余各部官兵全系满、蒙军人。冯国璋之所以能以汉人统帅禁卫军，是因为他以前曾为陆军贵胄学堂总办，且近在汉阳之役又被封二等男爵，再加上民国元年(1912年)1月1日孙中山就任中华民国临时大总统后，袁世凯曾指使冯国璋等15名北洋将领发表了“誓死拥护君主立宪，反对共和政体”的通电，因此，王公贵族都认为他效忠清室，予以信赖。冯国璋被清廷任命禁卫军总统，从而完全掌握了京畿防务大权。
袁世凯逼迫清帝退位，遭到禁卫军官兵的反对，以致议和条件迟迟不能发表。这时，冯国璋决心助袁一臂之力，亲赴禁卫军总部召集全体官兵，高声宣布大清皇帝辞位后之优待条件，对于禁卫军额数俸饷亦仍维持不变，声言非此不能保全皇室。冯国璋并以身家性命担保，尊号仍存不废，让权不让位，两宫保全及禁卫军待遇皆担保到底，无论个人调任何职，必仍以禁卫军自随。于是一场企图阻碍清帝退位的禁卫军风波被平息下来，冯国璋在关键时刻为袁世凯篡权立下了汗马功劳。民国元年(1912年)9月，冯国璋出任直隶省都督兼民政长。