9月，段祺瑞以优异成绩考上了天津武备学堂第一期预备生。进入天津武备学堂以后，段祺瑞被分到了炮兵科。炮兵在当时属于比较先进的专业，能分到这样的专业，可见段祺瑞考入天津武备学堂时的成绩必然相当优异。在天津武备学堂的日子对段祺瑞来说是艰苦而又快乐的，他牢牢把握住了命运给自己的机会，他“攻业颇勤敏，以力学不倦见称于当时，治学既专，每届学校试验，辄冠其侪辈，与王士珍等齐名于世”，很快就得到了李鸿章的器重。
能够进入全国最高等的军事院校学习，就相当于古时候得了武状元，光宗耀祖不说，也给段祺瑞带来了桃花运。进入天津武备学堂的第二年，段祺瑞就与宿迁举人吴懋伟的女儿吴氏在合肥结婚，构建了自己的家庭。同时，段祺瑞也在天津武备学堂遇到了伯乐，这个人也是对他一生影响深远的人之一，即时任天津武备学堂会办的廕昌。廕昌是满洲正白旗人，曾经到德国留学，归国后，任天津武备学堂翻译教习，后升至学堂会办。段祺瑞的成绩得到了廕昌的赞赏，廕昌也愈加留意这个勤奋刻苦的学生，他们彼此之间也经常私下交往，段祺瑞从廕昌那里学到了更多现代军事知识。1887年11月，段祺瑞以“最优等”成绩从天津武备学堂炮科毕业，随即被派往旅顺口（今属辽宁省大连市）督建炮台。旅顺口位于辽东半岛南端，是当时五大军港之一，是世界闻名的军事要塞，将段祺瑞派往旅顺口，可见清政府对其能力的肯定。此时，段祺瑞的脚步并未停下，廕昌的话还响在耳边，他面对着旅顺口外的惊涛骇浪，渴望着更广阔的天空。