升為督操營務處總辦。
馮國璋鑑於新建陸軍初創，在訓練工作上應有所遵循，經過精心籌劃，與王士珍、段祺瑞等人合力編成《訓練操法詳晰圖說》22冊，成為隨營學堂的標準教科書，也是清朝末年我國軍事學校和編練新軍的主要教材。由於馮國璋等人對袁世凱的赤心輔佐，使小站練兵的聲譽大振，馮國璋也逐步投向袁世凱的懷抱。
袁世凱出賣光緒和參與「戊戌變法」的維新派，深得那拉氏寵信。1899年3月，新建陸軍改稱「武衛右軍」。不久，袁世凱率軍赴山東，被派署理山東巡撫，鎮壓義和團運動。馮國璋以督操營務處總辦身份，將1萬多人的山東勇營逐步改編為武衛右軍先鋒隊，並曾一度率隊在直隸與山東交界的德州一帶，圍追堵截義和團。1900年馮國璋因參與鎮壓義和團運動有「功」，經袁世凱奏保，升為補用知府。不久被調至濟南主管武衛右軍和山東全省軍隊督操事宜。
袁世凱為了在德國人面前出風頭，決定舉行秋操，命馮國璋、王士珍、段祺瑞晝夜加緊操練軍隊。1900年秋季，袁世凱邀請德國駐膠州灣總督一行抵濟南觀操。總督在袁世凱等人的陪同下登上觀操台，只見軍旗一色鮮明，隊伍整肅精壯，軍威凜然。時馮國璋發出洪亮的口令，隊伍「一舉足則萬足齊發，一舉槍則萬槍同聲，行若奔濤，立如直木」。總督當面稱讚馮國璋、王士珍、段祺瑞為「北洋三傑」。1901年，清廷擢升袁世凱為直隸總督兼北洋大臣，馮國璋亦隨之赴任。袁世凱野心很大．到達直隸後，便開始大規模地擴充北洋軍。所謂「北洋軍」即是因直隸總督兼北洋大臣李鴻章、袁世凱編練新軍而得名。袁世凱首先在保定設立編練北洋常備軍的專門機構－－軍政司，該司分兵備、參謀、教練三處，馮國璋出任教練處總辦。馮國璋竭力修明操法，制訂章程和編練計劃，從而把新舊軍隊的訓練統一起來。使編練新軍一時頗著成效。未幾，清政府派馮國璋與滿族官員鐵良、鳳山赴日本考察軍事。歸國後，馮國璋出任清政府練兵處軍學司正使，同時督辦北洋各武備學堂，兼任北洋速成武備學堂和將弁學堂督辦，因此北洋軍閥集團中不少軍官都是他的門生、故舊，為他後來充當直系軍閥首領打下了基礎。
1906年，馮國璋署理正黃旗蒙古副都統，兼任陸軍貴胄學堂總辦。該學堂是清廷主要為培養滿蒙高級軍事人才而設立的，其成員是王公世爵、四品以上的宗室以及現任二品以上滿漢文武大員子弟。該學堂還附設王公講習所，在固定時間裡專召親王們去聽馮講課。馮國璋利用此機會結識了不少滿蒙貴族，並贏得了清王朝的信任。於是，1907年馮國璋升任陸軍部軍咨處正使。1908年又升任清西陵梁各莊值班大臣。
1908年，光緒、那拉氏相繼去世，光緒之弟載灃輔佐其子溥儀登極執政。載灃為了集中權力並替其兄光緒帝報仇，便把袁世凱開缺，趕回河南彰德。馮國璋怕受株連，便藉口「值西陵與祭，墜馬受傷」，和原配吳夫人病喪、母孫太夫人逝世為由，請辭回籍，但未得到批准。清廷仍委派他負責辦理日常軍務。馮國璋對袁世凱感恩圖報，仍暗通音信，表示忠誠，並竭力為袁世凱東山再起創造條件。
1911年（辛亥年）8月，清政府為了震懾革命人民反清鬥爭力量，決定在直隸永平府（今蘆龍）舉行秋操，馮國璋被任命為東路總統官。10月l0日，武昌新軍爆發了起義，迅即占領武漢三鎮。清政府急忙派陸軍大臣蔭昌率兩鎮北洋軍赴湖北鎮壓革命，同時又任命馮國璋為第二軍軍統，隨後增援南下。
馮國璋在率軍南下路上，唯袁世凱的密令是聽，根本不理會蔭昌的指揮。當馮國璋率軍途經彰德時，隻身去洹上村向袁世凱請示機宜，袁世凱授意馮「慢慢走，等等看」六字秘訣，並對馮說：「非籌備周妥，計出萬全，斷難督師進攻。」清政府迫於無奈，只得請袁世凱出山。
