光绪廿五年（1899年），袁大化随派任两广总督的李鸿章到广东。光绪廿六年（1900年），袁大化被李鸿章派暂署清河道，负责镇压义和团。签订《辛丑条约》以后，袁大化任东边道，歼灭俄国暗中支持的辽阳土匪林七、田立本等。宣统三年（1911 年），袁大化任甘肃新疆巡抚。辛亥革命期间，新疆的革命党人刘先俊等人在迪化起义，被袁大化捕杀。1911 年11月19日伊犁独立，杀清朝的伊犁将军志锐，拥广福为新伊大都督府都督。袁大化派兵进剿。12月25日，清室逊位，袁大化遂称病辞职，但获得北京方面慰留。此后，袁大化进攻伊犁，并