1895年，清政府任命袁世凱為新建陸軍督辦，前往天津小站接管“定武軍”改練新軍，史稱“小站練兵”。
袁世凱到小站以後，仍十分關心京城的政治動態。當時，西太后表面上已歸政光緒，但事事幹預，實際上仍握朝廷大權。帝，後為爭奪權力，不斷髮生摩擦，主公大臣中也分化為帝、後兩黨。帝黨官僚翁同和和維新派康有為，梁啟超等結合，他們的靠山是光緒。而反對維新變法的頑固派後面則有西太后撐腰。袁世凱見西太后和光緒都可能提拔他，給他官祿，就腳踏兩隻船，想方設法謀取雙方的信任。他一方面捐款加入了康有為發起的強學會，成為一個“維新志士”，另一方面又以其隸屬關係，極力逢迎直接領導者新任北洋大臣、直隸總督、著名的頑固派榮祿。
1898年6月21日，光緒頒佈了變法維新的“上諭”。但是，變法一開始就遭到了以西太后為首的頑固派的激烈反對。雙方鬥爭白熱化。 9月中旬，京津盛傳10月間西太后和光緒到天津閱兵時，榮祿將舉行兵變，逼光緒退位，另立新君。
天津閱兵的陰謀引起維新派的嚴重不安。他們赤手空拳；擔當不起保護光緒的責任，萬分焦急。這時康有為想起了袁世凱，認為“擁兵權，可救上者，只此一人”，但又擔心他”為榮祿用，不肯從也”。於是就派自己的親信弟于徐仁祿到小站探察。
袁世凱慣於見人說人話，見鬼說鬼話。他深知維新派已掌握了起草上諭之權，正破格用人，若取得信賴，有次機遇，可平步登天。因此，在徐仁祿面前，他極力奉承維新派，說康有為有悲天憫入之心，經天緯地之才。
萬徐為進一步試探袁是否可用，故意拋撥他和榮祿的關係，說：“康有為曾：屢次向皇上奏薦你，皇上說，榮祿對他說袁世凱跋扈，不可大用。不知你為什麼與榮祿這麼不融洽?”
袁世凱略加思考，然後裝著恍然的樣子說：“過去翁同和想叫我增兵，而榮祿說漢人不能掌握大兵權。翁同和說；曾國藩，左宗棠也是漢人，何嘗不能掌握大兵權呢？但是榮祿就是不答應，所以一直也沒有增成。"
康有為接到徐仁祿的報告，對袁確信不疑，立刻請人奏薦袁世凱，“加宮優獎”，同時又通過譚嗣同遞上密摺，要求“撫袁以備不測。”於是，光緒傳旨召袁世凱進京覲見，並破格提拔他為候補侍郎，繼續專辦練兵事宜。光緒還誇獎他說：“人人都說你練的兵，辦的學堂甚好，此後可與榮祿各辦各事。”意思就是以後不必受榮祿節制；袁世凱連磕響頭。但他又自知無功受賞，怕引起頑固派懷疑，對己不利，急忙去各處拜訪，加以解釋，並要上疏辭去侍郎職務。有入勸他此事：“出自特恩，辭亦無益，反著痕跡。”他才打消辭意。
儘管袁世凱向頑固派不斷表白心跡，但握有兵權的他突然被召見，並破格提拔為候補侍郎，以引起了頑固派的驚恐不安。袁世凱進京後，榮祿就製造“英、俄在海參崴開戰”的謠言，藉機調黃福祥軍到長辛店，調聶士成軍到天津， “防袁有變”。並急電袁回小站佈防，唯恐他在京受維新派煽動。同時，一些頑固派王公大臣還多次赴頤和園，哭請太后訓政。政局急劇轉變，新舊兩派進入最後決鬥。光緒處境孤危，朝不保夕，便下了一道密詔，要康、梁等人“妥速密籌，設法相救”。康，梁等人見詔痛哭不已，想不出萬全的辦法，最後決定由譚嗣同攜帶密沼，“說袁勤王”，“殺榮祿，除舊黨。”
9月18日深夜，譚嗣同隻身潛入袁世凱的寓所法華寺，將維新派的計劃全盤托出，並拿出光緒的密詔，勸他舉行兵變，保護光緒，殺掉榮祿。狡猾的袁世凱立即表示對光緒如何“忠誠”，並說：“誅榮祿如殺一條狗耳。”譚嗣同不放心，又對袁世凱說：“此次是報皇上的恩，救皇上的難，立奇功大業全在你，但是貪圖富貴，告變太后，害及皇上也在你，何去何從，請公白裁。”
袁世凱信誓旦旦地說：“你把我袁某看成什麼人了？我三世受國思深重，斷不至喪心病狂，貽誤大局，但能有益於君國，必當死生以報”。譚嗣同信以為真，稱讚袁世凱為“奇男子”。
袁世凱設詞騙走譚嗣同以後，反覆思索，深感光緒皇帝無實權，維新派又多是些空談的書生，而西太后掌握權柄三十多年，朝裡朝外都是她的心腹，樹大根深，不易動搖。再說榮祿掌握著董，聶各軍數萬人，淮、練軍幾十營，京內尚有旗兵，而自己僅有七千人馬，力量懸殊，絕無戰勝的希望。不如投靠西太后，則日後政治地位不難取李鴻章而代之。於是9月20日他乘火車匆忙趕回天津，直奔榮祿的總弩衙門告密。當晚，榮祿入京，面秉西太后。西太后即命榮祿返回天津掌握軍隊。次日黎明，她由頤和園趕到宮內，發動政變，宣佈重新垂簾聽政，並將光緒囚禁於南海的瀛臺。隨後又下令大肆逮捕維新人士。康有為、梁啟超已經出逃，而譚嗣同、康廣仁，楊銳，劉光弟、楊深秀卻於28日被殺於北京菜市口，時人稱為“戊戌六君子。”
袁世凱的血腥叛賣手段，使榮祿對他的“才幹”更加賞識，也贏得西太后的青睞。當時，曾有王公親貴以袁“既同謀又出首，首鼠兩端"，欲治其罪，榮祿出面保護他說，“袁乃我的人，無所謂首鼠兩端。”西太后為表示對他的信任，又特別召見他，准許他在西苑門內騎馬，賞銀四千兩，後又升他為工部右侍郎。當時，社會上流傳著一首歌謠，道出了袁世凱在維新運動中所起的作用，其詞為：“六君子，頭顱送，袁項城，頂子紅，賣同黨，邀奇功。康與梁，在夢中，不知他，是嫋雄。‘’
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