王士珍刚到小站时，正值他的嗣母病故，面容消瘦，身体羸弱，而且口讷寡颜笑，实在其貌不扬。袁世凯并没有认为他有特之处，但当议及军事，王士珍则面面俱到，极有规划。袁世凯大喜，认为其才可堪重用，立即任命他为督操营务处会办，右翼第三营步队帮统，兼步队学堂监督。不久，又升任他为工程营管带，兼德学堂监督。由于王士珍做事细密、周到，而且不张扬，深得袁世凯的信赖，有关军的成绩考核，人事的升降黜陟，多与王士珍、徐世昌等人商议。而王士珍也感激袁世凯的知遇之恩，竭力帮助袁世凯训练新军。他完全按照近代德国陆军的营制、操典训练士兵，聘请德**官担任教官和督操官，全部使用外国造新式武器。
光绪二十三年，北洋大臣直隶总督荣禄奉诏到小站检阅新建陆军，王士珍将工程营设制的水雷、旱雷、踩雷及各种武器一一演习，再加新建陆军旧军军容整齐，荣禄大加赞赏，向袁世凯赞叹道：“此人负治国之才，不第长于军事也。”袁世凯听后，更加看重王士珍，对王士珍提出的要求，无不应允。当时袁世凯对王世珍的看重程度实在难以形容，譬如说袁世凯午吃饭有道菜做得极好，当即便命令厨子再做一份给王世珍送去。当然后来段祺瑞等人也有了这般待遇。
光绪二十四年二月，荣禄再次检阅，路过海河，河面不宽，尚有冰冻。王士珍用特制的帆布做桥，搭于冰。荣禄的步兵、骑兵、炮兵从桥通过，行如坦途。这种帆布桥稍加整理后即为小舟，可供游渡，若拆卸折叠，极易收藏携带，荣禄看后更为高兴。等到检阅完毕回去再过海河时，王士珍仍为他架设帆布桥，荣禄担心天已渐暖，冰河解冻，存有危险。王士珍禀告说：“不用担心，三天后冰冻方解。”后果然如此。荣禄深服王士珍料事精确。
光绪二十五年，袁世凯得到京里消息，边有意派他出任山东巡抚，袁世凯便让王士珍率两名亲信去山东巡视。不到一个月，即将山东沿海各要隘、军营情况全部勘察清楚，连驻兵计划也作了周密安排。返回后，袁世凯又惊又喜地说：“胡速归如此”即委派王士珍为小站留守司令官，指挥各军依次从小站开赴山东。此次将王世珍任命为小站留守司令官奠定了他日后北洋三杰的老大地位。
光绪二十五年袁世凯署理山东巡抚，王士珍任军事参谋。当时山东义和团运动风起云涌。王士珍为袁世凯提出了一整套镇压义和团的策略：先行劝解，然后以武力相威。如仍不从，再捕杀首犯，解散胁从。袁采纳王的建议，并让王士珍参谋山东全省军务，致使各路团民死伤惨重。
袁世凯对义和团的镇压，惹得清朝贵族端郡王载漪、庄王载勋不满，因为妨碍了他们利用义和团谋取私利的企图。于是两位王爷派了一个义和团的大师兄，拿着清政府的令箭去找袁世凯，说端王命令袁世凯安抚义和团，允许设坛继续操练。袁世凯非常吃惊，立即召集僚属开会商议。群僚认为：如答应设坛，义和团将兴盛起来，造官府的反；如不答应，难免受到端、庄二王的严厉谴责。相顾失色，想不出解决办法。这时王士珍站起来说：“请交给我来审问吧”立即将义和团首领以盗窃端、庄二王令箭之罪推出斩首。此时袁世凯召集的会议还没有散，袁世凯问王士珍：“审问的怎么样？”王世珍答：“已经处决了，可以把令箭封起来送还端、庄二王。”袁世凯顿时醒悟，至此时，王世珍在袁世凯心已经居于位。
却说自从袁世凯任大总统后，“北洋三杰”的段祺瑞、冯国璋的势力逐渐坐大，跟袁世凯离心离德，而段、冯二人也明争暗斗，袁世凯为此昼寝难安，鉴于王士珍不争权夺利，不值私党，便想借助王士珍这位“龙”头大哥压制二人，几次派人去请王士珍担任要职，王世珍念及袁世凯情谊想要出面但是想到段祺瑞、冯国璋两人与自己的关系，顿时感觉最好不要出面，于是一一拒绝。
后来，袁世凯派长子袁克定亲自去请他，袁克定乘坐专车去正定请王士珍，临行前，袁世凯嘱咐袁克定说：“聘卿不来，弗许归。”袁克定到后，王士珍表示已无意于再参加政治活动。袁克定说：“参不参加政治是一回事，父亲邀请你去京谈谈又是一回事，如果你不去，我也只好留在正定了。”但王士珍还是不为所动，对于这个不怎么用的大少爷，王世珍不太喜欢，碍于他父亲的面子才让他留在这里。最后是段祺瑞设计，以朋友之道邀请他来车站会晤，被强行架火车开往北京。王世珍不得已参见袁世凯，立即授陆军将军衔，后来设立陆海军大元帅统帅办事处，任命王士珍为六大办事之一，实权最大。
统率办事处的成立，其目标显然是对准陆军部长段祺瑞。为此，段祺瑞十分不满， 便向袁世凯辞职，袁世凯也正有此意，想用蔡锷取而代之，为此，向王士珍咨询。王士珍自然不愿得罪段祺瑞，也不愿军权落入蔡锷手，毕竟蔡锷不是北洋军之人，对他还是不信任的。于是，王世珍建议道：“蔡锷乃是来自云南边陲之地，眼下对总统颇为尊重，但是尚不能说明对总统忠心，如果对他重用，恐怕会使得北洋众将士觉得心寒，难以服从。”袁世凯听后默不做声，不再提起此事。
袁世凯称帝之时，段祺瑞极力劝阻，然而并没有阻