1897年11月14日德國軍艦佔領膠州灣，奪取青島砲台。12月15日，俄國軍艦駛入旅順，不久也要求租借。英國要求租借威海衞和拓展香港租界址（新界），並把長江流域列入自己的勢力範圍。法國在1898年4月9日提出包括租借廣州灣（湛江）在內的四項要求，把西南視為勢力範圍。日本的勢力範圍則是福建。列強步步進逼，促使「不願為亡國之主」的年輕光緒皇帝孤注一擲。1898年1月，康有為第5次上書，要求「明定國是」，「國事付國會議行」。皇帝本想召見他，受到大臣阻撓，最終命總理各國事務衙門的大臣於1月24日（年初三）傳見。這次傳見所涉及的主要是如何改革的問題。1898年6月11日，光緒皇帝根據康有為等的多次建議，下詔定國是，把改革的基本方針宣示全國。這個詔書針對有人「以為舊章必應墨守，新法必當摒除」的錯誤，宣示基本國策，尋求統一認識，標誌大規模的變法維新正式開始。

「國是已定，用人宜先」。定國是詔下達五天後，光緒皇帝召見了康有為。在詳盡討論各種問題後，擬重用康有為。因立即遭到守舊大臣的反對，皇帝只好下令：「康有為着在總理衙門章京上行走」。官雖不大，但給了康有為專折奏事特權。梁啟超則當了個辦理譯書局的六品官。與此同時，譚嗣同、林旭、楊銳、劉光第等進入軍機處任章京。軍機處是執掌機要，參與軍國大事的最重要機關。這四個軍機章京在變法期間幫助皇帝處理奏章，草擬諭旨，實際是光緒皇帝的秘書，作用非同一般。1898年6至9月，維新變法進入高潮，這是一場激盪悲壯的百日維新。高潮的策劃者是康有為。103天中，他以自己或他人的名義上了36個奏章，外加《日本變政考》、《波蘭分滅記》兩部書（早在3月已進呈《俄彼得變政記》）。光緒皇帝則下了111道有關新政的上諭。這些奏章、上諭，內容無所不包，恨不得立刻把中國變為現代化的富強國家。可是，實權在握的大臣們大都敷衍塞責，真正實現的沒有幾件。

科舉的弊端早已暴露無遺。維新高潮到來前，已設立經濟特科，選拔「學問淹通、洞達中外時務者」，並決定武科舉不再比試弓馬刀劍，改試槍砲。戊戌年間，取消科舉的呼聲愈來愈高。武科舉同武備學堂結合逐漸成為朝野上下的共識。文科舉則從考試內容着手，以講求實學、實政為主，廢除八股，不再考五言八韻詩，不再憑字寫得好壞和是否合乎標準取士，各級考試一律改試策論。依照張之洞、陳寶箴的建議，鄉試、會試三場考試的內容分別改為：歷史、政治、時務、四書五經。維新變法力圖締造新的教育體系，取代與科舉制相配的官學和書院體系。命各省會的書院改為高等學堂，郡城之書院改為中等學堂，州縣之書院改為小學；獎勵紳民和華僑興學；義學、社學亦令中西兼習。同時下令制訂遊學章程，並命各省督撫在學堂中挑選有志深造的聰穎學生，派赴國外遊學。講求時務的官員和大學堂畢業生，亦選派出國遊學。

1898年8月9日京師大學堂成立。美國人丁韙良任西學總教習。它擔負多項重任，重點在培養維新急需的人才。其次，它負有更新統治階層知識和觀念的重任。因此，除中學畢業生外，翰林院編修和各部司員、候補官員、大員子弟、八旗世職「其願入學堂者，均准入學肄業」。為培訓原有官員，另設達成館（後來叫仕學館）。學堂的最高領導者——管學大臣還負責管理全國教育。此事議論多時，最後總算辦成，但正式開學則在政變後的12月17日。

作為文化學術落後的國家，輸入西學是當務之急。譯書、出版、辦報倍受重視。梁啟超在上海所設譯書局改為官督商辦，每月撥給二千兩；鼓勵各省設立譯書局；要求努力翻譯外洋書籍，首先把過去翻譯較少的政治、法律、史傳翻譯過來。在准許民間辦報的同時，亦在北京籌辦報紙；將《時務報》改為官報，命康有為督辦。同時下令各報要講實話，不必忌諱，並命康有為將西方報律詳細譯出，參照中國情形，草擬報律，推動和保障報章講實話。

直到這時，清軍還處於冷兵器時代，軍隊腐敗，兵源質素低。於是，皇帝下令要各將軍、督撫切實裁兵練兵，全國軍隊改用洋槍，改練洋操。所需教習，由袁世凱的新建陸軍選派，湖南則在湖北自強軍中選派。新建陸軍和自強軍都是由德國軍官訓練出來。同時，整頓水師，籌撥經費，添設海軍，籌造兵輪；籌辦團練，加強保甲，以補軍力不足。

為振興商務，認真籌辦農工商總局，各地試辦商務局，設立礦務鐵路總局。立商學、辦商報、鼓勵組織商會。頒佈獎勵條例，勸民辦實業。實行專利制度，重獎發明創新。嚴禁胥吏擾民。命各省兼採中西各法，振興農業；出產絲茶各省，籌設茶務學堂、蠶桑公院，提高品質，鼓勵出口。增設鐵路學堂、礦務學堂，培養人才。同時，立即籌款修築蘆漢、粵漢、滬寧等幾條重要鐵路，並廣開口岸，以圖商務流通。在京師和各通商口岸，廣設郵政分局。

清帝國衙門腐敗，光緒皇帝接受各方意見，從三方面着手改革：一是裁撤無用衙門和冗員；二是合併重覆的官署；三是刪訂辦事的則例，務求簡明扼要。與此同時，籌劃設立制度局、懋勤殿作為策劃新政的機關。清帝國等級森嚴，非高官不准給皇帝上奏章，平民百姓更不在話下。維新高潮中，光緒皇帝多次下令廢除原有限制，官民一律可以上書言事。這樣就在專制體制內打通一條下情上達的管道。