1898年，清廷年輕的光緒皇帝在康有為、梁啟超等維新派人物的推動下推動下，衝破頑固派的阻撓，開始實行變法維新。變法運動初期，袁世凱曾經表現出支持變法、積極推動變法的熱忱。1895年，在康有為發動公車上書以後，袁世凱也曾向親自向光緒皇帝上書，條陳變法事宜。1895年夏，康有為第四次上書光緒，都察院等部門拒絕代陳，袁世凱還曾幫助請求督辦軍務處代遞。強學會成立之後，袁世凱也積極參與，稱為強學會的發起人之一。十一月，袁世凱受命往天津小站編練陸軍時，康有為還曾親自為他設酒餞行，康有為對袁的印象也極好，認為：「袁傾向我甚至，謂吾為悲天憫人之心，經天緯地之才……」七月，變法運動達到高潮之後，袁世凱又派徐世昌到北京與維新派保持緊密地聯繫。袁世凱對戊戌變法的關心，騙取了維新志士和光緒皇帝對他的信任。光緒二十四年八月初一日，光緒帝在頤和園召見袁世凱，破格提升他為候補侍郎，專辦練兵事務。並允許他可以不受榮祿節制，各辦各事。
1898年6月11日，光緒帝毅然頒布《明定國是》的詔書，正式宣佈變法。變法期間，光緒帝發佈了上百道新政諭詔，除舊布新，內容涉及政治、經濟、軍事、文化等各個方面。但是，變法運動一開始就遭到以慈禧太后為首的封建頑固派的敵視與破壞。大部分的改革措施在頑固勢力的反對和阻撓下都變成一紙空文。光緒帝和慈禧太后之間的矛盾也逐漸激化。兩黨形同水火，勢不兩立。9月5日，光緒帝召見譚嗣同、楊銳、劉光第、林旭四人，授予他們四品官銜，令在軍機處章京上行走，參予新政。令下之日，還給四人一道「密諭」，要他們妥籌良策，推進變法。此後，兩黨之間的矛盾進一步惡化。慈禧太后在守舊勢力的慫恿之下，預謀在光緒陪同慈禧到天津閱兵的時候，由但任直隸總督的頑固派大將榮祿發動變，罷黜光緒帝，推翻一切新政，讓慈禧太后重新上台垂簾聽政。光緒帝聽到消息之後驚恐萬分，於9月14日與9月17日連續兩次給康有為下達密詔，密詔中說：「朕位且不能保，何況其他？」要維新派籌商對策。康有為等人讀詔之後，知道形勢嚴峻，又將梁啟超找來協商。幾個人痛哭一場後，擬定一個孤注一擲的冒險計劃：實行兵變，包圍頤和園，迫使慈禧太后交權。他們計劃一方面要爭取手握「新建陸軍」、又熱心變法事業的袁世凱發動兵變，誅殺榮祿，發兵圍困頤和園;另一方面派會黨首領畢永年帶領俠士潛入頤和園，捕囚慈禧。計劃的關鍵在於袁世凱。
9月18日深夜，譚嗣同只身前往袁世凱的寓所法華寺，勸說袁世凱舉兵誅殺榮祿，包圍頤和園。譚嗣同見到袁世凱後，問他：「你認為皇上是怎樣一個人？」袁世凱說「是曠代這聖主！」譚嗣同又說「榮祿他們準備借天津閱兵廢黜皇上的陰謀，現在只有你一個人可以救我們的聖主。你如果願意救，就請救之;如果不願意救，可以到頤和園和園向西太后告發我，也可以因此享盡榮華富貴。」袁世凱說：「你把我袁世凱看成什麼認了，皇帝是我們共同的英主。有什麼事情你就說把，又用到我的，將萬死不辭！」譚嗣同見袁世凱說的信誓旦旦，就把誅殺榮祿，圍困頤和園，囚禁慈禧的計劃告訴給袁世凱。袁世凱當時還發激昂地說：「如皇上在我軍營裡，令我下手，那麼，殺一榮祿如殺一狗耳！」就這樣，譚嗣同以為袁世凱答應幫滿了，便返回寓所同康有為商量下一步的事情。
9月20日，，農曆八月初五日，，袁世凱向光緒請訓，當天便乘火車返回了天津。9月21日早晨，慈禧太后便發動了戊戌政變，將光緒帝囚禁於中南海瀛台，並假借光緒帝的名義，籲請慈禧「訓政」。慈禧執掌清廷大權後，下令捉拿康有為，查抄康的住地南海會館。康有為、梁啟超逃亡日本，譚嗣同等「戊戌六君子」。在這同時，慈禧下令廢除在變法期間頒布的幾乎一切新政法令與措施。歷時103天的戊戌變法遂告失敗。