1895年7月，康有为、梁启超与陈炽、沈增植、文廷式、张孝谦、张权等人，在京师建强学会。光绪的两位老师翁同龢与孙家鼐，以及军机大臣李鸿藻等，不便公开参与，但却暗中积极支持。强学会正式成立于11月中旬，以强学书局的开设为标志。该会旨在宣传变法思想，积蓄维新力量，实为变法维新的一个政治社团。强学会的成立及其活动，引起了守旧派的极大的不安与恐惧。于是，逼迫光绪于1896年1月20日以“植党营私”的罪名予以严禁。强学会被查封时，李鸿藻正离京外出。2月4日，御史胡孚宸以“书局有益人才”为由，力奏请将“强学会”改为“官书局”。此时，李出差返京，与翁联手加以积极支持。光绪于当日即降旨“着总理各国事务衙门议奏”。第二天，该衙门即奏覆：“该御史请将强学书局改为官办，自系为讲求实学培养人才起见，臣等公同商酌，拟援照八旗官学之例，建立官书局，钦派大臣一二员管理”，并“建设学舍”。光绪“从之”。并于3月5日委派工部尚书孙家鼐为新设官书局管理大臣。
孙家鼐为开办好官书局，上任后不久，即向光绪上《官书局奏定章程疏》七条：一设藏书院；二设刊书处；三设游艺院；四设学堂；五筹经费；六分职掌；七刊印信。其中前四条为主：藏书院专为收藏我国的经史子集等书籍，以“备留心时事讲求学问者，入院借观，恢广学识。”刊书处则专门翻刻各国西学书籍，举凡律例、公法、商务、农务、制造、测算之学，及武备工程诸书，“凡有益于国计民生与交涉事件者，皆译成中国文字，广为流布。”设游艺院，通过广购化学、电学、光学诸新机，矿质、动物、植物各异产，分别部居，逐门陈列，以便“学者心摹手试，考验研求，了然于目，晓然于心。”这样，“将来如制造船只枪炮等事，可以别材质之良窳，物价之低昂，用法之利钝，不致受人蒙蔽。”设学堂一所，聘请精通中西学的人为教习，以培养入馆肄习者。
虽然孙家鼐拟办的学校因经费无着而未果，但是他拟以中西学相结合、学理与实用相结合的教学原则，去培养人才的办学思路，基本上体现了变法维新的风气，为日后开办大学堂做了铺垫。特别是，孙于1896年8月，在《议覆开办京师大学堂折》中，明确表示赞成李端关于成立大学堂的首倡。他首先回顾了官书局与开办大学堂的联系。“臣查本年正月总署原奏，请立官书局，本有建设学舍之说，臣奉命管理书局，所奏开办章程，亦拟设立学堂。”因此，孙郑重表示，建立大学堂，“即官书局份内应办之事。”言下之意，这也就是他本人义不容辞的责任了。
孙家鼐着重论证了兴办大学堂，决不能走老路的问题。他指出，“不能援前此官学义学之例”，因为传统的师徒受授以经义帖括，猎取科名，是无益于大局的。又指出，也不能照抄洋务运动所兴办的同文馆、方言馆、船政学堂、制造局学堂以及武备学堂等之路，因为它们“皆囿于一才一艺，即稍有成就，多不明大体，先厌华风”，所以，“办理垂数十年，欲求一缓急可恃之才，而竟不可得者。”同时，孙也指出，“外国大学堂之法，亦有不能全行仿办”的，因为他终觉外国大学堂“道器分形，略于体而详于用，故虽励精图治，日进富强，而杂霸规为，未能进于三代圣王之盛治者，亦其学限之耳。”但是，孙却充分肯定了“亟应参仿各国大学堂章程，变通办理，以切时用。”为此，他进一步提出了六条具体措施：一宗旨宜先定；二学堂宜造；三学问宜分科；四教习宜访求；五生徒宜慎选；六出身宜推广。其中二、三两条为主。孙提出大学堂“自应以中学为主，西学为辅；中学为体，西学为用”，作为立学宗旨。并且，他强调以后无论是大学堂“分科设教”，还是“推广各省”，都必须遵循这一宗旨。以这个宗旨为基础，方可变通办理。孙把学问初步分为天、地、道、政、文、武、农、工、商、医十科。这两条集中体现了孙关于兴办大学堂的“教之道”，既不完全仿照中国旧式学堂，也不完全仿照西洋学堂，而是将二者之长结合起来，分科立学，以“中学为主，西学为辅；中学为体，西学为用”，培养出“赅通中西学”，识大局，明大体，“以切时用”的“异日国家之大用”的人才。
孙这些关于开办大学堂的主要构想与建议，既基本上顺应了当其时的变法维新的潮流，又大体上反映了当其时的朝野有识之士关于兴建大学堂的共识。因而，也就使得他关于开办大学堂的主要理念，能够与两年后光绪在《明定国是诏》中关于建设大学堂的决议的基本精神相吻合。
综上所述，可见历史发展的轨迹是：最先有强学会，而后才有强学会改为官书局，最后才有官书局改为京师大学堂。孙家鼐本人，最先为强学会的会员，而后才为官书局的管理大臣，最后才为京师大学堂的管学大臣。
后来，梁启超于1912年在北京大学欢迎会上，如实地概括了这段历史变迁，说：“孙寿州（系指孙家鼐）先生本强学会会员，与人同谋，请之枢府，将所查抄强学会之书籍仪器发出，改为官书局。嗣后此官书局，即改为大学校。故言……大学校之前身为官书局，官书局之前身为强学会。”
一言以蔽之，孙家鼐被任命为京师大学堂的首任管学大臣，乃是顺理成章的事，而他本人也是可以胜任的。孙家鼐走马上任后，是如何具体筹办大学堂的呢？新建大学堂，是需要投入巨资的。光绪于1898年7月13日，在委派孙为大学堂管学大臣的同时，又明确指示大学堂“所需兴办经费，及常年用款著户部分别筹拨”。户部遵旨筹妥拨京师大学堂开办费白银35万两，常年用款20万零630两。孙于8月24日，在收到礼部领取关防的知照的同时，又收到户部领取经费的知照：所有大学堂常年经费及购买中西功课书等银37，245两3钱2分，银库定于初十日开放，相应片行贵堂，务于是日卯刻持具印领，赴部关支可也。可见，孙家鼐作为京师大学堂的管学大臣是有职有权又有钱的。
孙家鼐为了创办好大学堂，精心构思与策划并非始自于他担任大学堂的管学大臣之日，而是早就肇端于他还在官书局的管理大臣任上之时。而今在此基础上，进一步作出新的设计。于1898年8月9日在《奏筹办大学堂大概情形折》中，全面而系统地提出了八条建议：一进士举人出身之京官，拟立仕学院；二出路宜筹；三中西学分门宜变通；四学成出身名器宜慎；五译书宜慎；六西学拟设总教习；七专门西教习，薪水宜从优；八膏火宜酌量变通。光绪于当日即批覆。首先肯定了孙所拟八条“尚属妥协。”其次，又令孙“不妨博取众长，仍须折衷一是”，以求完善。并明令“按照所拟各节，认真办理。”同时，还下达各项有关命令：一暂拨公所作大学堂校舍事；二推广大学堂月课章程事，并“必须精益求精务臻美备”；三赏给西学总教习丁韪良“二品顶带，以示殊荣”等。
孙在第一、二两条中，通过大学堂的仕学院，对已通晓中学的进士举人出身之京官，“其入学者，专为习西学而来，宜听其习西学之专门。至于中学，仍可精益求精。”大学堂仕学院的毕业生，凡已授职者，请旨各就所长，予以优奖；凡尚未授职者，请旨予以对口录用。这体现了为培养变法维新人才而兴办大学堂的办学宗旨与培养目标：“以圣贤义理之学，植其根本，又须博采西学之切于时务者，实力讲求，以救空疏迂谬之弊。……总期化无用为有用，以成通经济变之才。”孙在第五条中，主要是坚决反对重新编辑我国传统的经史书籍，“臣愚以为经书断不可编辑”，“亦概不准增减一字，以示尊经之意”。史学诸书，也“无庸急于编辑”。其实，这是他的一贯态度。此前，他已于7月17日，在《奏译书局编纂各书请候钦定颁发并请严禁悖书疏》中，对康有为的《孔子改制考》一书，严加指责“杂引谶讳之书，影响附会，必证实孔子改制称王而后已。”对此，他深感不安：“窃恐以此为教，人人存改制之心，人人谓素王可作，是学堂之设，本以教育人才，而转以蛊惑民志，是导天下于乱也。”“履霜坚冰，臣实惧之。一旦犯上作乱之人，起于学堂之中，臣何能当此重咎。”所以，他极力主张对“康有为书中，凡有关孔子改制称王字样，宜降谕旨，亟令删除”，并进一步主张译书局编辑各书，“总宜由管学大臣阅过，进呈御览钦定发下，然后颁行，子史亦然。如此，则趋向可一，民智可广，而民心庶不至妄动矣。”
可见，在这个问题上，孙家鼎的态度是很保守的。他生怕改革触动封建专制统治的思想与理论的根基。孙家鼎于戊戌政变后，非但没有受到任何处罚，反而还得到了留任，当与他的这些保守思想与态度不可分。孙家鼎在第六、七条中，提名聘请同文馆的美国人丁韪良总教习为大学堂的西学总教习，月薪从优，予以五百金。特别是，还与他“订明权限，其非所应办之事，概不与闻。”显然，孙家鼎的这个规定决非是多余的，而是十分必要的，它关系到维护主权的原则问题。果然，8月10日，8月17日，德意两国大使竟然无理照会，强求大学堂必须也聘请他们两国人为教习，声称：“于中国大局，实为幸甚。”只有这样，“两国睦谊，自可日亲。”甚至攻击孙家鼎，说：“北京洋人无不甚诧，因何中国专派斯人管理大学堂。其人虽庄严恭敬，而实无一能。”