“中学为体，西学为用”
从19世纪60年代洋务运动开始，几乎所有地主阶级改革派所发动的自救运动都奉“中体西用”为圭臬，不敢超越。他们认为孔孟之学“明体达用”，足以“彰明大道”。中国唯独科技、艺术不及西人。所以，中学才是根本，西学只是体用。张之洞在《劝学篇》做了更为明确的阐述。他说：“《四书》、《五经》、中国史事、政书、西艺、西史为新学，旧学为体，新学为用，不可偏废”（张之洞《劝学篇·设学》）。张之洞这一思想实际上也成为近代教育改革的指导思想，张百熙便是“中体西用”思想忠实的实践者。他在《奏定学堂章程》中就明确指出：“至于立学之宗旨，无论何等学堂，均以忠孝为本，以中国经史之学为基，俾学生心术壹归于纯正，而后以西学沦其智识，练其他日成才，各适实用，以仰副国家造就通才、慎防流弊之意”（《奏定学堂章程》，湖北学务处本）。“中体西用”虽然强调以中学为根基，但是在当时封建正统儒学仍占绝对统治地位的时代，能把“西学为用”提到办学宗旨这个高度，也是个较大的进步。因为无论如何它毕竟把僵化的封建传统文化打开了一个缺口，在客观上加速了封建制度的瓦解，当然这也是张百熙等始料不及的。
停科举，兴学堂
发端于隋代的复科举制度至清代已经是流弊百出，基本上不能反映考生的真实水平，即使高中进士，亦多无真才实学。康有为曾经描述：“巍科进士，翰苑清才，而竞有不知司马迁、范仲淹为何代人，汉祖唐宗为何朝帝者！若问亚非舆地，欧美之政学，张口瞪目，不知何语矣。”
张百熙有多年从事教育行政工作的切身体验，使他认识到不改变现行人才的选拔办法，不变更教学内容和方法，人才是难以脱颖而出的。
张百熙较早意识到培养人才之艰，并且总结现行科举制度及八股文的弊端，力主变通科举，广建学堂，这是其教育思想进步的表现，为后来废科举、废除八股文迈出了探索性的一步，是对近代教育体制改革的有益启示。
张百熙认为，科举考试无论诗赋、策论、制艺，时间久了，则陈腐剿袭，不能得真才。虽然清王朝以制艺取士，且得人最多，但日子久了，弊端就暴露出来了，“主司不善奉行，士子习于庸陋，故八股文至今日已就腐败，转相诟病。穷则思变，则不得不舍诗赋之空文，而取策论之实用，亦时使之然也。……学堂之不及造者，则变科举其至要矣”。
张百熙认为，科举与学堂贯通一致，相得益彰。科举能求才，学堂能育才；只有广建学堂，方能变举国之风气，广天下之教育。他把兴学校作为立国之本，认为国家要富强，改变国势阽危的局面，除兴学堂外，更无济世良策。
张百熙任管学大臣后，面对当时陈腐的教学内容和方法，锐意变革。在教学内容上他认为现行课程空洞无物，应广泛学习西学。他通过出使美国的钦差大臣取得美国哥伦比亚大学、耶鲁大学、宾夕法尼亚大学等13所学校的课程章程书目，作为编定教材的参考。
张百熙十分注重教学方法的改进。他主张“教育儿童须尽循循善诱之法，不宜操切而害其身体，尤须以知耻之义，夏楚之事断不宜施”，“凡教授之法，以讲解为重要，诵读次之”。大学院不设置课程，主要进行研究。这种在不同年龄层次、不同学习阶段，采取不同教学方法的做法，在今天的教学方法改革中，仍具有现实意义。
重视留学教育
19世纪70年代，为适应洋务事业对洋务人才的需求，曾国藩、李鸿章奏请遴选聪颖幼童赴英、法、日、美等国学习军事、技术和自然科学。1872—1881年清政府先后五次派遣留学生，但由于清廷内部顽固派的反对，1881年7月，清政府将留学生分三批撤回，留学事业中止。
百日维新中实行教育改革，饬令各省督抚挑选有志者出国游学，但未真正施行。清末“新政”期间，清政府重提留学事业，张百熙积极鼓励，并上疏奏请“选派诸生游学”。1902年又奏陈：“京师大学堂宜派学生出洋分习专门，以备教习之选，计自开学以来，将及一载，臣等随时体察，益觉咨遣学生出洋之举万不可缓，诚以教育初基，必从培养教习入手，而大学堂教习尤当储之于早，以资任用。”他警示朝廷应该“早为计之”，如果“及今不图，后将追悔”。清廷采纳了张百熙的意见，并令他“择其心术纯正，学问优长者，详细考察，分班派往游学。”
张百熙以日本为例，“日本自明治八年，选派优秀学生赴国外留学，至明治十三年，留学生纷纷归国，成为大学教师的主流。而以前所聘用的欧美教员，则去留皆无足轻重。现在，日本留学欧美者仍然源源不绝，此其用心深远，可为前事之师”。及至学生赴洋留学时，张百熙亲临车站，以忠爱大义、学以致用谆谆训勉。可见张百熙对留学教育的重视和对学生的殷切期望。
建分科大学和办实业教育
建立分科大学和创办实业教育是对中国传统教育模式的突破。
在张百熙看来，要培养各项艺能之人就必须要设分科大学堂，要“振兴农工商各项实业”，只有举办实业学堂才是“富国裕民之本计”（《奏定学堂章程·实业学堂通则》，湖北学务处本）。张百熙关于设分科大学于举办实业教育的主张遭到荣庆的反对，但“百熙持之坚”（《清史稿·张百熙传》）。应该说张的主张是带有前瞻性的，现代之专门大学和职业教育便在此基础上发展起来的。
恢复京师大学堂
张百熙一生热心教育事业，积极倡导教育改革，既提出了许多有价值、有见解的教育思想和主张，又身体力行创办学堂兴学育才，在中国近代教育史上占有重要的地位。张百熙的教育主张多见于管学大臣任内的奏折，如《奏派学生赴东西洋各国留学折》、《奏请将国子监归并大学堂折》等，以及由他主持拟定的《钦定学堂章程》。
张百熙一生曾任多种官职，在他为官的三十多年中，多次管理学政与教育事业相涉，先后出任过山东乡试副考官、山东学政、四川乡试主考官、光绪侍读、广东学政、国子监祭酒、江西乡试主考官、管理京师大学堂事务大臣等，对清末教育事业多有贡献。
京师大学堂的创办与中日甲午（1894年）战争有密切的关系。此战中国战败，北洋水师全军覆没，创痛巨深。1895年3月，李鸿章去日本签订了丧权辱国的《马关条约》之后，不久顺天府尹胡燏棻上书清政府，认为日本明治维新以来，时间不长而能国富民强使西方各国推服，“是广兴学校，力行西结之明验”。而西方各国之所以富强、人才辈出，“其大本大源，全在广设学堂”。因此，胡燏棻认为“今日中国关键，全系乎此”。第二年五月（1896年6月）刑部左侍郎李端棻奏《请推广学校折》内明确指出“人才之多寡，系国势之强弱”，并首次提出设立“京师大学”的主张。因为检讨过去办洋务所设立的同文馆、方言馆，水师、武备等学堂，办理几十年不过得到几个翻译和操船操炮的人员而已，“而国家不一收奇才异能之用”，要培养安邦定国、经世济民之大材，必须开办大学堂。这一时期关于创办京师大学堂、总学堂的条议、奏折等等并出，梁启超、姚文栋、熊亦奇、康有为、孙家鼐等人提倡最力，连美国传教士李佳白、狄考文等也不后人，积极议设京师总学堂。到1898年，岁在戊戌，维新变法、育才图强的思潮大大升温，催产了京师大学堂，经多年酝酿筹划、历尽曲折的京师大学堂，终于在这一年开学。在一定意义上可以说是日本发动的甲午战争刺激中国由学习西方转向学习日本，创办大学堂，在更高层次上兴学育才。
1901年《辛丑条约》之后，逃到西安的慈禧太后等人才得以“两宫回銮”。但被八国联军所逼，不得不离开威严舒适的紫禁城，而一路风尘、惊魂不定的逃难生涯，给养尊处优惯了的慈禧老佛爷深深的刺激。这切肤之痛使朝廷认识到“兴学育才，实为当今急务”，感到培养经世安邦之才的迫切，遂降旨将“从前所建大学堂，应即切实举办”，并任命张百熙为管理京师大学堂事务大臣，经理一切学堂事宜，规定办理京师大学堂“务其端正趋向，造就通才，明体达用，庶收得人之效”。
京师大学堂由孙家鼐草创，诸事刚刚开始，远未详备，又经俄兵德兵侵占校舍，毁坏图书仪器设备于荡然。张百熙之受命为管学大臣，实际上肩负着恢复和重建京师大学堂之重任。由于张百熙深知办学育才的重要，又具开拓务实精神，所以“奉命以来，臣当即悉心考察，夙夜构思，一面查勘现在情形，一面预筹未来办法”。经积极谋划，受命及月即上《奏筹办京师大学堂情形疏》陈明自己的看法与主张。他认为京师大学堂是育成定国安邦、通经济变之才的处所，为世界所关注，“不特为学术人心极大关系，亦即为五洲万国所共观瞻”，是“天下于是审治乱，验兴衰，辩强弱，人才之出出于此，声名之系系于此”的地方。因此，“大学堂理应法制详尽，规模宏远”。他在《疏》中还指出“今值朝廷锐意变法，百废更新”之时，再议举办大学堂“非徒整顿所能见功，实赖开拓以为要务，断非因仍旧制，敷衍外观所能收效者也”。
因此，在洋洋五千言的奏疏中，张百熙详细列举几项具体措施，以制定办法、制度一条为总立大纲；以广购图书仪器、附设译局二条为讲求实用的必备条件；以增建校舍一条为渐拓规模；而尤以宽筹经费一条为诸事的根本保证。他的这个奏折当天即被批准。在当时条理万端，待批奏折堆积如山的情况下，能如此神速地批阅这五千言的长折，可见朝廷对举办京师大学堂的关注程度与急迫心情。上谕称张百熙奏筹办京师大学堂大概情形一折，所陈事项“大致尚属周妥，着即认真举办，切实奉行”。朝廷如此急速批回，张百熙自能体察上意，不敢怠慢，随即着手实施。聘教习、订章程、编书籍是办学校的三大要务，熟诸学务的张百熙自然逐一进行。
首先，修葺学堂，筹措办学经费。
京师大学堂原校舍被毁于庚子之乱，张百熙首先修葺了已毁的校舍，但京师大学堂校园面积过于狭小。“丈量学堂四而围墙，计南北不过六十丈，东西不过四十丈，中间所有房屋仅敷讲堂及教习官役人等之用，其西北两边讲舍不足百间，非大力开拓，万万不可敷居住。”于是，张百熙便着手到别处择地以扩大校舍规模。经过精心勘察，选定戊戌时期强学会会址（政变后改为官书局）为筹备所，奏请将官书局附近的译书局划入学堂。1902年，他建议将原属外务部的同文馆，原属中央官学和国子监管辖的宗室学、八旗官学等均并入大学堂办理。这样，新的京师大学堂己规模初具。让张百熙最为难的莫过于筹措大学堂办学经费，20世纪初的清政府国库空虚，当张百熙上疏要求户部拨专银以充办学费用时，户部却无能为力。争取户部拨充专银无果，张百熙另想他途筹措办学经费：第一，1900年京师大学堂停办时尚有存款放于华俄银行和中国银行，张百熙奏请朝廷将此项存款“仍发回学堂”。
第二，京师大学堂之分科大学是专门为各省培养人才的，各省理应拨济京师大学堂经费，张百熙遂“请饬下各省督抚，大省每年筹二万金，中省一万金，小省五千金，当年拨解京师大学堂”。
第三，1896李鸿章与沙俄签订《中饿密约》，条约规定由沙俄修筑一条从山海关直通海参威的中东铁路，中东铁路每年须支付给清政府利银35万两，这笔利银一直积存于华俄道胜银行，至1902年此项存银累计已达500万两，于是，张百熙请“拨充大学经费”。清廷皆准张百熙之请，经费问题得到解决。
其次，改革京师大学堂内务。
张百熙认为“大学堂与学术人心极大关系”，它“为五洲万国所共瞻”，并且“人才之出出于此，声名之系系于此。所以重办京师大学堂，绝不能仍因旧制，敷衍外观”，要办好京师大学堂，“非徒整顿所能见功”。因此，张百熙接任后实行了大刀阔斧的内务改革。
（一）淘汰思想陈腐的官员。京师大学堂成立时，大学士孙家鼐为管学大臣，张元济、黄绍箕、余诚格等先后任总办，李家驹为提调，刘可毅、骆成骧等为教员，出现“员司多用翰林”的局面，外界亦评论京师大学堂有新学之名而无新学之实。张百熙接管大学堂后，重新调整官员，淘汰了一大批仇视新学的迂腐官员，从而为西学的传播扫除一些阻碍。
（二）坚决辞退专横跋扈的洋教习。美国传教士丁韪良一直担任京师大学堂总教习，李提摩太、李佳白、林乐之等传教士担任副总教习，这帮传教士藉其使馆威权常对大学堂施加政治压力，以达到控制大学堂之目的。如京师大学堂只能按他们的意图开设科学课程，而“管学不能过问”，实际上京师大学堂“实权皆在丁韪良”。张百熙上任后，坚决辞退丁韪良，丁韪良不服，粗鲁地与张抗争，张百熙亦毫不让步，后经美使馆官员从中斡旋，丁韪良最终还是“索千金以去”。