1903年冬，孙传芳把母亲安葬到下乔庄的祖林后，立刻返回北洋速成武备学堂继续学习。据杨文恺回忆，孙传芳天分极好，凡应学功课一看便能熟练掌握，军事技能操练一学便通，加之又勤奋用功，其学业考试总是力拔头筹。由于北洋速成武备学堂被允许考选出国留学，孙传芳遂苦学日语，通过了外语关。1904年5月，学堂推荐40人前往北京练兵处参加公派留洋选拔考试，惊喜的是，“金兰四兄弟”（孙传芳、杨文恺、卢香亭、周荫人）以及戈宝琛等同学同时入围。同年8月，包括来自湖南的程潜、江西的李烈钧等共计108人，乘船同赴日本留学。日本东京士官学校是与美国西点军校齐名的世界军事名校，是培养将军的摇篮。但要想进入这所学校，其程序、资格和要求都极为严格、规范。中国留学生必须先在东京込区专门开设的预科学校——振武学堂学习2年，毕业合格后还需派到日本陆军中做候补生，在军中实践锻炼1年，再经考核合格方能升入东京士官学校。进入士官学校后，学习1年，考试合格，还要再回到日本陆军见习3个月，考核合格后才能成为日本士官学校的正式毕业生。在这种苛刻条件下，难免有留学生半途而废。比如后来的蒋介石，他于1908年春从北洋速成武备学堂选派到日本留学，至1910年毕业时，他实际只完成了预科阶段振武学堂的学业，并没有正式升入士官学校。而孙传芳和他的金兰兄弟们则成为了东京士官学校第六期学员，顺利完成全部学业。1909年3月，操一口流利日语的孙传芳，结束了5年留学生涯，正式回国，时年24岁。
1909年春，孙传芳先回到下乔庄为父母修坟添土，随之回到济南。二姐在济南为他找了一位大他两岁的媳妇，名叫张兰君。婚后第三天，孙传芳急赴天津再转往北京，参加陆军部（原兵部）主持的留学生功名考选，此时姐夫王英楷已升任陆军部右侍郎。主考官为陆军部尚书铁良，副考官分别由陆军部左右侍郎毓朗和王英楷担任。孙传芳以优异成绩通过考试，被授予步兵科举人、步兵协军校衔（少尉），其他留日同学阎锡山、李烈钧、唐继尧、李存厚、赵恒惕、尹昌蘅等人也都通过了甄拔考试。不久，孙传芳被分配到北洋陆军第二镇第三协统领王占元所属第五标统带王金镜的手下做教练官（位同副团长），战时可参与指挥。
王英楷在1904-1905年时，曾任第二镇统制（师长），亲手提拔了王占元。王占元是山东馆陶人（建国后划归河北省），天津北洋武备学堂毕业，后被授予“壮威、襄武上将军”，属于北洋24上将之一，性情粗犷，为人义气，是孙传芳除姐夫王英楷之外的另一位知遇恩人，常昵称“二哥”。不过，随着1910年春王英楷的病逝，王占元对孙传芳的提携便慢了下来，使之做了两年教练官，直到1911年武昌起义爆发。
1911年10月10日，武昌起义爆发，清廷调派包括王占元所部在内的北洋陆军前去镇压。在汉口刘家庙争夺战中，孙传芳身先士卒，率领一营兵力英勇冲锋，与对手展开殊死肉搏，攻入汉口城内后，又进行了激烈巷战，最终为北洋军攻占汉口立下了头功。孙传芳军旅生涯的第一次实战，便受到了清政府的嘉奖。
1912年1月1日，南方响应武昌起义宣布独立的各省部分革命党人，派代表在南京开会，成立中华民国南京临时政府，暂选孙中山为临时大总统。与此同时，摄政王载沛（宣统皇帝之父）不得不重新启用曾被他罢免的袁世凯，先后任命袁世凯为湖广总督、内阁总理大臣，试图收拾残局。而袁世凯当时是手握重兵的实力派，一直致力于近代化改革，声望很高。革命党人普遍认为只有他才能领导中华民国，实现统一。双方经过多次协商，达成一致。1912年1月25日，袁世凯及各北洋将领发出通电支持共和。2月12日，袁世凯逼迫清帝逊位，裕隆太后下诏，令袁世凯组建中华民国。2月15日，南京临时参议院正式选举袁世凯为临时大总统，3月8日通过《中华民国临时约法》，规定国体政体属于议会内阁制前提下的虚位总统制。3月10日，袁世凯在北京正式就任第一任中华民国大总统。随后，下令统一改编全国军队，改镇为师。回防河北的第二镇，随之改为中华民国陆军第二师，王占元任师长，孙传芳任辎重第二营营长。