（三）重组京师大学堂官员。人才是一切事业的根本，有得力之人才能成预期之事。张百熙认为京师大学堂是造就高层次人才的学校，“而才之出，尤以总教习得人为第一要义”。这负有第一要紧意义的重要职位，当然不是平常人所能担当的，张百熙认为“必得德望具备，品学兼优之人，方是以膺此选”。为选堪当此任的总教习，张百熙广泛征求意见，深入查访，他在“博采舆论，参以旧闻”的基础上，选中了桐城派学者吴汝纶。
吴汝纶是安徽桐城人，字挚甫，1865年中进士，曾师从曾国藩，为“曾门四弟子”之一。工古文，主持直隶保定莲池书院多年，声望很高。他不仅是桐城派的代表人物，在旧学方面很有权威，而且对新学也很注意，颇有见解。张百熙认为吴汝纶是京师大学堂总教习的合适人选。于是他上《奏举吴汝纶为大学堂总教习折》，其中说：“……臣博采舆论，参以旧闻，唯前直隶州冀州知州吴汝纶，学问纯粹，时事洞明，淹贯古今，详悉中外，足当大学堂总教习之任……主莲池书院多年，生徒化之，故北方学者以其门称盛，允为海内大师，以之充大学堂总教习，洵无愧色。”在极赞吴的才能声望之后，为了职位相当，张百熙又请加升吴汝纶官衔以示重用。张百熙称：“如蒙谕允，可否赏加卿衔，以示优异，出自逾格鸿慈”。朝廷认为张百熙举荐合适，即降谕旨：“前直隶州冀州知州吴汝论，著赏加五品卿衔，充大学堂总教习。”
中国历来有礼贤下士、尊师敬贤的优良传统，管学大臣张百熙足膺此美誉。为了请这个好不容易才选中的总教习人才吴汝纶上任，张百熙在吴不愿出任的情况下，备办好总教习的五品官服官帽，亲自登门拜见授予吴汝纶，吴感其诚乃允出任，但要求先赴日本考察学务，张百熙慨然应允，并为吴办好一切手续，使吴顺利登程赴东。
与此同时，张百熙奏派于式枚为总办，薄式、绍英等为提调，张鹤龄为副总教习。特别值得一提的是，张百熙不顾猜忌，毅然聘请近代启蒙思想家、维新派人士严复为译书局总办。这一方面反映了张百熙思想的开明，另一方面有利于新学在京师大学堂的传播。
为保证教师质量，加强对教师的管理，大学堂教师实行聘任制。在《钦定京师大学堂章程》中专设聘用教习一章，要求每个被聘者与校方签订聘任合同。合同书上明确每一个被聘用者的工作职责、聘任年限。“如果教师教课不勤，及发生任意紊乱课程上之规约等事，无论中外教习、年满与否，管学大臣均有权辞退。教师如果不谙教法及讲授疏懈者，应当辞退。”《章程》还规定，“自副总教习以下，教课勤惰均由总教习按照章程严密稽查，年终出具考语，报明管学大臣查核”。这些规定的实行，保证了教师的教学质量，加强了对教师的管理，增强了教师的责任感。
（四）忍辱负重，苦心经营京师大学堂。树大自然招风，随着京师大学堂的恢复与发展，张百熙在海内外声誉日益提高，但招来的诽谤也越来越多。对张的诬诽大抵有四：第一，由于“大学堂教职员皆自聘，又薪金优厚”，所以“忌嫉者众”，导致“蜚语浸闻”（《清史稿·张百熙传》）。第二，吴汝纶受命后请求赴日本考察学务三个月，那时留日学生正在进行反对驻日公使蔡钧运动，吴汝纶曾对学生表示同情。蔡认为是吴有意煽动学生运动，遂上奏要求朝廷严办吴汝纶。吴汝纶获“罪”，张百熙自然难脱其责。第三，张百熙任学部之长触犯了满清惯例。清代，中央各部堂官是满汉各一人，唯独管学大臣由张百熙一人担任。因此有言官奏称“本朝定制，部官大率满、汉相维，请更设满大臣主教事”，后清廷果真“增命荣庆为管学大臣”（《清史稿·张百熙传》）以分张百熙之权。荣庆与张百熙意见多有不同，龃龉日深。据清史稿记载，张百熙多次建议设立分科大学，但荣庆坚决反对，张百熙要选派留学生留学东西洋，而荣庆却认为不可，由此可窥两人之矛盾是较大的。第四，京师大学堂为“甄拔多绩学之士”，曾于1902年举行两次全国性招生考试，考生来自不同地区、不同民族，故“新奇环伟之风气，诡异之服饰，潮涌于京师，且集于马神庙一隅”，一部分官吏对此深表不满，认为有损“正统天威”，对学生们激扬文字，针贬时政更是恨之入骨。他们视京师大学堂为“革命之府”，“欲摧锄大学”而快。时奸宄之声四起，张百熙忍辱负重，奏明实情，清廷也未追究，只是叮嘱张要“着力防范，万不可疏忽”，并让张继续主持京师大学堂。
1902年正月初六，张百熙上《奏筹办京师大学堂情形疏》，奏明粗拟办法五条。其中第一条即为“办法宜预定也”，说明东西洋各国学堂办有成效，都是按照一定的规章制度分科分级办理的。中国尚无系统的学制章程，前订大学堂章程也是粗具，更不配套，所以需要制定一套较为系统的学堂章程，“至将来奏定京师大学堂章程，拟即全照大学规模”办理。张百熙在得到上谕，所拟“一切规条将来即以颁行各省，必当斟酌尽善，损益得中，期于有实效而无流弊”之后，为求应时实用，他考察列邦，参酌古今，经半年多的努力制订出一套系统的学堂章程，于1902年7月12日上《奏筹拟学堂章程折》说明原委：“臣谨按古今中外学术不同，其所兴致用之途则一。值智力并争之世，为富强致治之规，朝廷以更新之故而求人才，以求人才之故而本之学校，则不能不节取欧美日本诸邦之成法，以佐我国二千余年旧制，亦时势使然。”这次所拟学堂章程包括《京师大学堂章程》、《考选入学章程》、《高等学堂章程》、《中等学堂章程》、《小学堂章程》、《蒙养学堂章程》共六件。上奏之后得到朝廷谕允，并命颁行全国各省实行：“张百熙奏筹议学堂章程开单呈览一折，披阅各项章程，尚属详备，即著照所拟办理，并颁行各省，着各该督抚按照规条，宽筹经费，实力奉行，总期造就真才，以备国家任使。其京师大学堂，责成张百熙悉心经理，加意陶熔，树之风声，以收成效，期副朝廷兴学育才之至意。”
这套学制于1902年11月钦定颁行，该年岁在壬寅，故史称“壬寅学制”。这便是由中央政府颁行的中国近代第一个从幼儿园（蒙养学堂）、小学、中学至大学的一套系统的学制章程。从此，中国办学堂才有了可资遵循的统一标准，中国教育走上了现代化的轨道，京师大学堂也从此走上了现代化的轨道。因此，诺贝尔物理奖获得者杨振宁博士说，京师大学堂是中国现代高等教育的开端。
《钦定京师大学堂章程》共有8章84节，对大学堂的办学纲领、领导体制、聘用教习、科目设置、课程安排、招生办法、毕业任用、教学纪律等等都作了详细的规定。在第一章全学纲领中第一节即明确规定大学堂的办学宗旨是：“激发忠爱、开通智慧、振兴实业……端正趋向，造就通才。”章程规定大学堂分为大学预备科和大学专门分科，分科即相当于后来的专科学院。而之所以设有预备科，是因为办学伊始全国中小学尚未普遍设立，大中小学还不配套，一时没有可与大学相衔接的高级中学毕业生，设立预科是应急措施，非长久之计。于此可见张百熙对教育体系考虑的周到性。同时考虑到当时没有统辖全国教育的部门，这一职责不得不暂由京师大堂兼负，于是在《京师大学堂章程》中还规定：“京师大学堂主持教育，宜合通国之精神脉络而统筹之……各省学堂，于每岁散学后，将该学堂各项情形照格填注，通报京师大学堂，俟汇齐后，每年编订成书，恭呈御览。”根据这一规定，京师大学堂在此后直到1905年学部成立的一段时间内，既是全国最高学府，又是全国最高教育行政机关。这样，张百熙就既是大学校长，又是教育部长，其眼界自不局限于京师大学堂一校。
《钦定学堂章程》颁行全国，其影响之大自不待言。它是张百熙上溯古制，参考列邦，夙夜构思，精心编制而成的中国第一部系统学制。
主持制订《癸卯学制》
张百熙明白“天下之事，人与法相维，用法者人，而范人者法”。认为学堂章程乃办学之法，要兴学育才向预期目标发展又不出现流弊，必须制订出“完全无缺之章程”。因此，不以他所制订、颁行全国的《钦定学堂章程》为满足。为求尽善尽美，他于1903年5月3日上《奏请添派张之洞会商学务厘定学堂章程》折。在折中他说：“学堂为当今第一要务，张之洞为当今第一通晓学务之人。”“学堂尤政务之大端，所关更重，伏恳天恩，特派该督会同商办京师大学堂事宜，一切章程，详加厘定……”
1903年，清政府又公布由张百熙、荣庆、张之洞等重新拟订的一系列各级学堂章程，包括《奏定蒙养院及家庭教育法》、《奏定初等小学堂章程》、《奏定高等小学堂章程》、《奏定中学堂章程》、《奏定高等学堂章程》、《奏定大学堂附通儒院章程》、《奏定实业学堂通则》、《奏定师范学堂通则》等，这些统称为《奏定学堂章程》。1903年为癸卯年，故称其为“癸卯学制”，这是中国近代第一个真正实施的较为完整的近代学制。
从癸卯学制纵的方面看，它把整个学习过程分为3段7级：第一阶段为初等教育，包括蒙养院4年，初等小学堂5年，高等小学堂4年，共13年。蒙养院即今天幼儿园，它招收3至7岁儿童，教给幼儿游戏、歌谣、谈话等内容，由于教师匮乏，当时蒙养院实际无法普设；《奏定学堂章程》规定儿童7岁以上者必须入学堂学习，课程有修身、谈经讲话、中国文学、算术、历史、地理、格致、体操8门，初小五年是强制性教育，这对于普遍提高国民素质有重要的作用；初小毕业生可升入高等小学堂学习，课程比初小多一门图画，把中国文字课程改为中国文学。
第二阶段为中等教育，《奏定学堂章程》规定，学生高小毕业升入中学堂，中学堂修业5年，课程12门：修身、谈经讲话、中国文学、外国语、历史、地理、算学、博物、物理及化学、法制及理财、图画、体操。
第三阶段为高等教育，分高等学堂3年，分科太学堂3至4年，通儒院5年。按照《奏定高等学府章程》，中学堂毕业生愿继续深造者可升入高等学堂，以培养各学皆有专长者，高等学堂修业三年，合格者升入分科大学堂。分科大学堂分8科：经学科大学、政治科大学、文学科大学、医科大学、格致科大学、农科大学、工科大学、商科大学。通儒院是全国最高学府，相当于旧时翰林院，只招收分科大学毕业生，设在京师大学堂内，以“造就通才”为目的，“以中国学术日有进步，能发明新理以著成书，能制造新器以利民用为成效”《（奏定学堂章程·大学堂附通儒院章程》，湖北学务处本）。一个人从7岁入学至通儒院毕业，共需学习26年！
从新学制横的方面看，除了直系各学堂之外还有师范教育和实业教育两个独立的系统。
师范教育分为初级师范学堂和优级师范学堂。初级师范学堂招收高等小学堂毕业生，主要是为高小和初小培养教员；优级师范学堂招收中学堂和初级师范学堂毕业生，为初级师范学堂及中学堂培养教员及管理员。
实业教育分为实业学堂、补习实业学堂、实业师范学堂三类，又分为初、中、高三级，初等实业学堂、中等实业学堂和高等实业学堂分别相当于高等小学堂、中学堂及高等学堂，实际上，癸卯学制所规定实业教育就是今天职业教育的雏形。
张百熙等拟订的癸卯学制的性质历来是教育史界的争论点，众说纷纭，莫衷一是。有论者认为它是半殖民地半封建性质，也有论者认为是半封建半资本主义性质。
张百熙、张之洞、荣庆等在制订学制时就开宗明义的指出以“中学为体，西学为用”来作为其指导思想，因此癸卯学制并未跳出封建主义之窠臼。此外该学制还规定了女子不得入学，学生不准妄干国政等内容，这也很明显地说明了其封建性。但它是否具有半殖民地性质呢？具有半殖民地性质的是中国近代之教会教育，因为传教士开办教会学校是帝国主义侵略中国的手段之一，其目的是为帝国主义培养奴才、走狗。但新学制所规划的新式教育与教会教育有本质区别，因此不能武断地下具有半殖民地性质的结论。同时，持第一种观点的论者的理由也是难以令人信服的。他们理由主要有两点：（1）新学制规定一些“西学”课程，而“西学”课程正是为了适应帝国主义和买办阶级的需要。（2）新学制特别重视留学教育，而留学教育以后支配了整个中国教育。总之，因为新学制重视学习外国，所以具有半殖民性，一般人不禁要问：我们今天的教育也重视吸收“西学”，是不是也具有半殖民地性？如果把新学制重视留学教育看成是其半殖民地性的一条理由，那些近代留学运动又如何评价？在当时民智未开的情况下，张百熙等大胆地把学习“西学”以法律形式写入癸卯学制，这恰恰是新学制资本主义性质的突出表现。
经过一系列改革，京师大学堂初具规模。京师大学堂之所以能在中国教育史上翻开重要的一页，是与张百熙的苦心经营分不开的。