光绪二十三年（1897年）十一月，德国出兵强占胶州湾，俄国派舰队占领旅顺、大连。改良派抓住这个时机，把救亡图存的维新运动推向一个新高潮。同年十二月，康有为从上海到北京，向光绪皇帝第五次上书，提出若不及时变法，将会面临外国侵略者的“瓜分豆剖”，人民也会“揭竿斩木”起来反抗，并提出了救亡的上、中、下三策。上策是“采法俄、日以定国是，愿皇上以俄国大彼得之心为心法，以日本明治之政为政法”，即全面实行变法；中策是精选有才能的官员，听他们关于变法的意见，谋议既定，决策施行；下策是朝廷通令各省督抚，根据各省的不同情况，实行变法。康有为认为：三策中间，能行上策，可以自强；能行中策，也可以保持一个弱国的地位；仅行下策，或者不至于全部沦亡。这次上书虽未及时送到光绪皇帝面前，却在全国广为流传，产生了巨大影响。于是光绪皇帝命李鸿章、翁同和、荣禄等五人召见康有为问话，康有为陈述了变法的意见，并批驳了荣禄的“祖宗之法不能变”的顽固思想和李鸿章的维持现状的保守思想。随后，康有为又呈递了上清帝的第六书，也就是《应诏统筹全局折》，提出了全面变法的三条根本办法。即第一条“大誓群臣惟革命旧维新”；第二条“开制度局于宫中，将一切政事重新商定”；第三条在午门设立“待治所”，派御使为监收，许天下人上书。光绪二十四年（1898年）二月，康有为向皇帝呈进第七次上书《俄大彼得变政记》，并附一奏折，再次要求实行变法。光绪皇帝看到康有为的这些奏折，对康有为的变法主张，越来越加以重视，维新运动开始与光绪皇帝结合起来。
与康有为连续上书的同时，改良派和各省在京的人士纷纷组织学会，号召推行新政。同年四月，康有为等人在各学会的基础上，扩大成立“保国会”，会章提出：“保国、保种、保教”三项宗旨，并规定在北京、上海两地设立总会，各省各县设立分会。“保国会”实际上是一个维新派的具有全国性的政党的刍型。不久，保浙会、保川会、保滇会等又相继成立。
六月十一日，光绪皇帝颁布《明定国是》上谕，下诏变法。光绪皇帝在宣布变法后的第五天，召见康有为，授予他“总理衙门章京上行走”，允其专折奏事；七月三日，光绪帝又破例召见只有举人身份的梁启超，赏他六品衔，办理译书局事务；九月五日又任命谭嗣同、杨锐、刘光弟、林旭等四人为军机处章京，赏四品衔，参与新政。改良派同光绪帝进一步接近，纷纷上奏折，递条陈，提出许多新政建议。光绪皇帝把其中认为可以采纳的作为诏书，谕令颁布。在103天变法维新时间内，共颁布诏令一百多种，其中重要的有：一，振兴农工商业，设立工商局，设立路矿总局，办邮政，改划财政，编制国家预算；二，裁汰冗员，取消重叠的行政机构，允许官民上书言事，取消旗人由国家供养的特权，许自谋生计；三，裁汰绿营，训练陆海军，各省军队均改用洋枪、洋操，许私人办兵工厂；四，废八股取士制度，改试策论，广设新学堂，提倡西学，在北京设京师大学堂，设译书局，许民间创办报馆等。然而顽固派却用各种方式阻挠新政的推行。后党和帝党的斗争日益激化。在《明定国是》诏书颁布后不久，以慈禧为首的后党，连续采取措施，恐吓和防范光绪和维新派。先是突然免去翁同和一切职务，勒令回藉：然后令新授二品以上文武大臣到慈禧面前谢恩；继而又任命荣禄为直隶总督，统率北洋三军。帝党和后党维新和守旧的斗争越来越激烈。光绪帝感到事态严重，又亟谋对策。九月二十一日，慈禧发动戊戌政变，宣布自己重新“亲政”，软禁光绪，除京师大学堂外，百日维新期间的所有新政全部废除，并下令速扑、杀害维新派人士。康有为、梁启超先后逃往香港和日本。九月二十八日，谭嗣同、畅锐、林旭、刘光弟、康广仁、杨深秀等六人被杀害，时人称之为“戊戌六君子”。戊戌变法运动失败。
戊戌政变
光绪二十四年（1898年）六月十一日，光绪帝颁布“明定国是”诏，标志了百日维新的开始，也预示着帝党和后党之争进入了决战阶段。光绪帝的这一举动，慈禧极为重视，六月十五日，迫使光绪帝连下三道上谕：一、免除支持变法的翁同和协办大学士、户部尚书的职务，逐回江苏原籍；二、命直隶总督王文韶入京陛见，任命荣禄署理直隶总督，不久又授荣禄为直隶总督兼办理北洋通商事务大臣，节制直隶境内董福祥（甘军）、聂士成（武毅军）及袁世凯（新建陆军）三军；三、嗣后在廷臣工如蒙赏加品级及补授文武一品暨满汉侍郎，均须具折诣太后前谢恩，各省将军、督抚、都统、提督等官亦同。接着，慈禧又分别命崇礼、怀塔布和刚毅控制守卫京都与颐和园的卫戍部队，命裕禄在军机大臣上行走，并在内廷布满亲信太监，监视光绪帝和维新派活动。这样，光绪变法从一开始，后党势力就抓到了军政实权，以北京西郊颐和园、天津直隶总督衙门为据点，部署力量，作好了政变准备。
光绪帝不顾后党的严重威胁，继续推行变法维新。七月八日，后党御使文悌因参奏康有为“任意妄为，遍结言官，把持国是”，而被革职：九月四日，礼部尚书怀塔布、许应骙及侍郎堃岫、徐会沣、溥颋、曾广汉等六人阻挠主事王照条陈事务而被革职，赏王照三品顶戴并四品京堂候补；随后又赏谭嗣同、杨锐、刘光等、林旭以四品卿衔，在军机章京（清代官名，满语“管事”之意）上行走，参预新政；九月七日，从总理衙门中赶走对抗变法的李鸿章和敬信。这一系列措施使新政改革走上轨道，同时也使帝党同后党的矛盾达到白热化的程度。庆亲王奕劻内务府总管大臣立山和属僚数十人以及太监李莲英，看到形势危机，竟跪在慈禧面前失声痛哭，控告光绪帝，恳请皇太后临朝“训政”。
是年九月，后党加快了政变步伐。怀塔布、杨崇伊衔慈禧之命赴天津与荣禄密谋，预定十月底慈禧、光绪同赴天津阅兵时，发动政变，废黜光绪帝，捕杀维新派人士。风声日紧，形势十分危急，康有为急向光绪帝进策：一、仿照日本设立参谋部，收回军权，皇帝自为海陆军大元帅；二、改元为维新元年，断发易服，以示变法决心；三、迁都上海，摆脱后党圈禁。同时又深感武装的重要，便把希望寄托于拥有7000人重兵并曾加入强学会的袁世凯身上。康有为先派亲信弟子徐仁禄到小站探察，获息袁世凯表示拥帝，致使康有为、谭嗣同认为“可救上者只此一人”，于是就密奏光绪帮结袁以备不测。九月十六日、十七日，光绪帝两次召见袁世凯，破格赏以侍郎候补。专办练兵事务；面谕袁“与荣禄各干各事”使其不受掣肘。然而，袁世凯在光绪帝召见之后，便立即去辞谒军机大臣裕禄、刚毅、王文韶，乞求宽谅。九月中旬，光绪帝已感大祸临头，先于十三日向康有为等下密诏，称“今朕位几不保，汝康有为、杨锐、林旭、谭嗣同、刘光等等，可妥速密筹，设法相救”。由于杨锐带此密诏不敢传出，光绪帝不见康有为等回音，就于十七日又密谕康有为出逃，前往上海督办官报，“将来更效驰驱，共建大业”。第二天，康有为从林旭处得两密诏后，立即召集谭嗣同、梁启超、康广仁、徐世昌等在南海会馆共商对策，大家见面后抱头痛哭，一筹莫展，最后决定孤注一掷，由谭嗣同携密诏去劝说袁世凯举兵勤王。当日深夜，谭嗣同赴袁世凯寓所法华寺，请袁起兵杀荣禄、围慈禧太后所居颐和园，实行兵谏，以此来保卫光绪帝执政。袁世凯佯作许诺，正色厉声表示竭死力救“圣主”，“诛杀荣禄如杀一狗耳！”九月二十日，袁世凯请训回天津，光绪帝赐密诏，命其保护新政。袁世凯再表“忠心”，但是当他回天津后，立即向荣禄告密，表示要为“缉捕奸谋，效忠太后”尽力。
当袁世凯应召从津赴京陛见时，后党就立即调聂士成5000人兵力开赴天津陈家沟一带布防，切断了北京与小站间通道。九月十八日，董福祥甘军开进北京城，扬言京师有大变。九月十九日，慈禧太后自颐和园赶回紫禁城。九月二十一日凌晨，慈禧发动宫廷政变，幽禁光绪帝于中南海瀛台，并用光绪帝名义发布上谕，“再三吁恳慈恩训政”，宣布慈禧重新“垂帘听政”，下令废除变法法令。九月二十二日，荣禄派兵3000人在京城搜捕维新派和帝党人士。政变前后，维新派曾议定由李提摩太（英传教士）、容闳、梁启超分别去见英、美、日三国公使，求其设法救助光绪帝和维新派，结果都落空。康有为得到英国保护，逃奔香港，后去日本；梁启超得到日本保护，逃至日本横滨。九月二十八日，谭嗣同、林旭、刘光第、杨锐、杨深秀、康广仁等六人（史称“戊戌六君子”）同时被杀害于北京菜市口。谭嗣同临刑前悲愤喊出“有心杀贼，无力回天”。康有为、梁启超被通缉；维新派官员陈宝箴、江标、黄遵宪等数十人被革职或流放；除京师大学堂外，新政全部废止。戊戌变法失败。
创立京师大学堂
光绪二十二年（1896年）六月十二日，刑部侍郎李端棻上奏光绪帝，提出应自京师以及各省府州县皆设学堂，京师大学惟益加专精。对此光绪帝谕旨：此事由总理衙门妥议。七月，协办大学士孙家鼐奉旨召集有关官员商议办学堂事，强调应以“中学为主，西学为辅；中学为体，西学为用。”为办学方针。并决定于北京西城原同文馆附近买地筹金扩建学舍。光绪二十四年（1898年）二月十五日，御史王鹏运上奏光绪帝再次提出开办京师大学堂。光绪帝下渝：“妥速办理”。六月十一日，光绪帝颁“明定国是”诏，实行变法。随后，命军机大臣和总理衙门妥议开办京师大学堂事。决定由梁启超参考日本和西方各国学制起草《京师大学堂章程》，章程分八章五十二条。规定：京师大学堂的办学方针为：“中学为体，西学为用，中西并用，观其会通”。课程分为普通学和专门学两类。以经学、理学、中外掌故学、诸子学、初级算学、格致学、地理学、文学及体操学为普通学科；以各国语言文学、高等算学、格致学、政治学、地理学、农学、矿学、工程学、商学、兵学、卫生学为专门学科。章程还规定“各省学堂皆归大学堂统辖”。同时提出“宽筹经费”、“宏建学舍”、“慎选管学大臣”、“简派总教习”等建议。七月三日，朝廷批准设立京师大学堂。随后委派吏部尚书、协办大学士孙家鼐为管学大臣，管理大学堂事务。任命张元济为大学堂总办（后又由黄绍箕、余诚格分别继任）。任命朱祖谋、李家驹为提调，许景澄为总教习，刘可毅、骆成骧为教习。原同文馆总教习丁韪良为西学总教习。同时决定将原设官书局和新设译书局并入大学堂。由管学大臣督办。光绪二十四年（1898年）八月九日，京师大学堂正式开学，学员不足百人，多为世家官宦子弟及少数各省中学堂选送的高材生。十二月三十日，又设立师范斋，规定于前三级学生中选其高材生为师范生，专讲教学之法，为以后派往各省学堂充当教习之用。次年九月，又设立史学、地理、政治三学堂。改派许景澄为管学大臣，黄绍箕为总办，刘可毅、骆成骧仍为教习。光绪二十六年（1900年），义和团运动在京津一带兴起，京师大学堂内师生对此议论纷纷。管学大臣许景澄与京官袁昶等力主镇压。不久许以“极谏”围攻使馆和排外宣战的罪名而被清廷杀戮，教习刘可毅也被杀害。消息传来京师大学堂学生四散离去，校舍封闭，藏书损失殆尽。九月，慈禧太后下令停办京师大学堂。
光绪二十八年（1902年）一月七日，慈禧太后从西安返京筹办“新政”。十日，派张百熙为京师大学堂管学大臣，命其修改办学章程，扩大京师大学堂的规模。京师大学堂重新恢复。二月十三日，张百熙奏陈筹备情况：一、准备设预科，预科分政科和艺科两门；设速成科，分仕学馆、师范馆。二、添建讲舍，在原有一百四十余间的基础上添盖一百二十余间。购西城瓦窑地方土地一千三百亩盖房。落成后除预备、速成两科外，新奏旨送大学堂仕学馆学习肄业的进士，附设医学馆的学生一并迁入。三、附设译局，译局由官书局筹办。四、经费：由华俄银行拨发百万，大省每年拨二万；中省一万；小省五千。又决定任命吴汝纶为大学堂总教习，张鹤龄为副总教习，于式枚为总办，李家驹、赵从蕃为副总办。对以上提议慈禧太后加以批准。十月十四日，京师大学堂正式举行招生考试。速成科学生考试科目有史论、舆地策、政治策、交涉策、算学策、物理策及外国文论七门。师范馆由各省选送学生若干，考试科目有：修身伦理大义、教育学大义、中外史学、中外地理学、算学、代数、物理化学、浅近英文、日文等。仕学馆由各省推荐，不参加考试。结果共录取学生92名。后来又扩招九十名。十二月十七日，京师大学堂正式开学。光绪二十九年（1903年）二月，又增设了进士馆、译学馆及医学实业馆。毕业生分别授给贡生、举人、进士头衔。一个月之后北京掀起了拒俄运动，四月三十日，京师大学堂师范馆、仕学馆学生二百余人鸣钟上堂，发起声讨沙俄罪行大会，会后起草《京师大学堂师范、仕学两馆学生上管学大臣请代奏拒俄书》。当晚，部分学生退学参加了抗俄义勇军。
光绪三十四年（1908年）六月，京师大学堂又增设满蒙文学，七月，附设博物品实习科。次年，建立京师大学堂图书馆，清政府将热河文津阁的四库全书拨给京师大学堂图书馆。宣统二年（1910年）改设分科为经、法、文、格致、农、工、商七科。民国一年（1912年）五月三日，袁世凯批准京师大学堂改名为北京大学。
义和团运动
十八世纪末到十九世纪初，兴起于长江以北各省的白莲教大起义和白莲教的支派天理教起义被清廷镇压后，白莲教的各个支系继续斗争，北方几省相继出现了八卦教、红阳教、荣华教等组织，秘密从事反清斗争，其中八卦教影响最大。朝廷规定，传习八卦教者要查拿缉捕，为首者处以死刑，于是八卦教徒便以传习拳术来隐蔽自己。义和团运动便由此萌芽而来。
甲午战争期间，山东沿海民众遭受日军侵略之苦，战争结束后，日军占领了威海卫。三年后，日军撤离，此地又立即被英军强占。不久，德国又占据了胶州湾，并强行把山东划为它的势力范围。光绪二十四年（1898年），英国强行租借威海卫，随之外国教会也随之大批进入山东各地，修建大小教堂1100多座，传教士和教徒发展到八万多人。许多加入教会的地主豪绅，仰仗教会势力，乘多年荒灾之机，囤积居奇，抬高粮价，居众苦不堪言，对之切齿痛恨，多次与教会发生冲突。