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八国联军占领京城，慈禧太后仓皇“西狩”，并于1901年1月29日以光绪皇帝的名义在西安颁布“预约变法”上谕。尽管该上谕仍然坚称“盖不易者三纲五常，昭然如日星之照世；而可变者令甲令乙，不妨如琴瑟之改弦”，但它毕竟承认了在“万古不易之常经”以外，没有“一成不变之治法”。此外，上谕还批评过往的自强改革“舍其本源而不学，学其皮毛而又不精”，因而“著军机大臣、大学士、六部、九卿、出使各国大臣、各省督抚，各就现在情形，参酌中西政要，举凡朝章、国故、吏治、民生、学校、科举、军政、财政……各举所知，各抒所见”。4月21日，清朝政府设立督办政务处，作为推行新政的专门机构，任命奕劻、李鸿章等人为督办政务处大臣，刘坤一、张之洞、袁世凯等人也先后加入，具体处理新政的各项事宜。
变法上谕颁布以后，各地官员纷纷递交建议。其中影响最大的，是刘坤一和张之洞递交的《江楚会奏变法三折》（简称《江楚会奏》）。《江楚会奏》洋洋3万余言，由《变通政治人才为先遵旨筹议折》、《遵旨筹议变法谨拟整顿中法十二条折》、《遵旨筹议变法谨拟采用西法十一条折》、《请专筹巨款举行要政片》即“三折一片”组成。第一折论育才兴学，提出设文武学堂、酌改文科、停罢武科、奖励游学等；第二折论整顿中国之成法，提出崇节俭、破常格、停捐纳、课官重禄、去书吏、去差役、恤刑狱、改选法、筹八旗生计、裁屯卫、裁绿营、简文法等；第三折论采用西法，提出广派游历、练外国操、广军实、修农政、劝工艺、定律法、用银元、行印花税、推行邮政、官收洋药、多译东西各国书等，“大要皆以变而不失其正为主”。后来的新政措施，多从《江楚会奏》而来。
由清朝政府主导的新政改革渐次展开，第一步是政治机构改革，增设新机构、裁撤冗官冗衙。1901年7月，总理衙门改为外务部，班列六部之前；1903年9月设立商部；12月设立练兵处；1905年10月设立巡警；11月设立学部。先后裁撤河东河道总督，湖北、云南、广东三省巡抚等。此外，清朝政府还下令整饬吏治，停止捐纳与陋规。
采用西法练兵，在甲午战争前后即已出现。不过，近代中国较大规模的军制改革则是从清末新政开始的。1894年4月，广西按察使胡燏棻在天津小站按照西法操练“定武军”，此后由袁世凯接办，改称“新建陆军”，即北洋新军。与此同时，张之洞在南洋还组建了“自强军”，后由刘坤一接办。张之洞还依据自强军的经验，在湖北继续编练新军。
清朝政府设立练兵处后，由奕劻任练兵大臣，袁世凯为会办大臣，铁良襄同办理。各省设督练公所，置督办一员，下设兵备处、参谋处、教练处，各置总办一员。新军的编制分军、镇、协、标、营、队、排、棚，相当于后来的军、师、旅、团、营、连、排、班。此外，还有混成协，属于镇的缩编但不隶属于镇，类似于独立师、独立旅。与军制相应，各级将领依次为总统、统制、协统、标统、管带、队官、排长、正副目。1904年，练兵处和兵部议准在全国编练新军。1905年清朝政府又规定，各省新军均名陆军，并于1906年设立陆军部统一指挥全国新军。至1911年辛亥革命爆发时，共练成14镇、18个混成协，另有禁卫军1镇，共计约16万人。以北洋军为中央军，各省为地方军。
1901年朝廷下诏停止武举，命令各省设立武备学堂，培养军事人才。新设陆军学堂分陆军小学堂、中学堂和兵官学堂、大学堂，还开办了速成陆军学堂和专门以王公、皇族及二品以上封疆大吏子弟为招收对象的陆军贵胄学堂。此外，清朝政府还派遣大批留学生出国学习军事，分赴英、法、德、奥，尤以日本为最多。日本还专门为中国陆军留学生开办振武学校等。1904年，清朝政府颁布《选派陆军学生游学章程》，规定军事留学生必须是由各省督抚保送的官费生，禁止自费习武，并将留学名额分配给各省。学生归国后，各省督抚竞相延揽，成为推动近代中国军事改革的骨干力量。
清末新政的军事革新，是近代中国军事现代化的重要成果，军人阶层也随之迅速崛起。清朝政府编练新军，其本意在于培养拱卫朝廷的柱石，然而最终却产生了意料之外的结果。这一时期，袁世凯借助编练新军，进一步扩充了自己的实力。至1905年，北洋新军已有6—7万人，编为6个镇，即著名的“北洋六镇”。袁世凯非常注重对部将的培养和笼络。北洋新军几乎成了袁世凯的私人武装，为民国时期的军人干政留下了隐患。此外，与北洋新军风气闭塞、控制严密不同，长江流域等地的新军官兵比较容易受到民主革命思潮的影响。大量革命党人投身军队，传播革命思想，部分新军士兵与下级军官最终成为革命的重要力量。
除却军事改革，清末新政中另一项卓有成效的内容便是教育改革，而教育改革的起点是废除科举制度。科举取士始于隋大业元年（605年），是通过考试选拔官吏的一种制度。及至清末，它早已积弊丛生，无法满足现实需要。1901年，袁世凯、刘坤一、张之洞等分别上奏，要求改革科举制度。8月，清朝政府下令从1902年起，废除八股文，改试策论，以中国政治史事及各国政治艺学命题。此后，朝堂之上渐废科举之议不绝如缕。1905年，袁世凯、赵尔巽、张之洞、端方等人联名奏请立废科举，认为科举一日不停，新式学堂决无大兴之望。是年9月，清朝政府终于下令，自1906年起，所有乡试、会试、各省岁科考试一律停止。中国历史上绵延1300余年的科举制度，至此寿终正寝。
在废科举的同时，清朝政府还下令制定新的学制、设立新式学堂。1901年9月，朝廷下令各省书院一律改为大学堂，各府及直隶州均改为中学堂，各州县改为小学堂，并多设蒙养学堂。除学习四书、五经外，还要学习中外政治、历史等课程。1902年1月，清朝政府委任张百熙为京师大学堂管学大臣。8月，张百熙进呈《钦定学堂章程》。因1902年为农历壬寅年，所以此章程又称“壬寅学制”，由于不够完备而没有施行。1904年1月，清朝政府公布了由张百熙、荣庆和张之洞共同修订的《奏定学堂章程》，由于该年为农历癸卯年，因而又被称为“癸卯学制”。该学制是近代以来第一个以法令形式公布并在全国推行的学制，对20世纪中国学校教育制度的变革产生过较大的影响，成为中国近代教育的第一块基石。
1903年，清朝政府颁布各类学堂章程，以“癸卯学制”为参照，将学堂分为7级，即蒙学院、初等小学堂、高等小学堂、中学堂、高等学堂、大学堂，以及在大学中设立的通儒院。此外还有各类实业和师范学堂、译学馆、仕学馆、进士馆等等。1905年，清朝政府设立学部，作为中央教育行政机关，任命荣庆为学部尚书；又在各省设立提学使司，各府州县设立群学所，管理地方教育事业。此后，新式学堂教育迎来了迅猛的发展，学堂数量与学生人数大幅增长。至1909年，全国新式学堂约有5万余所，学生160多万人。
在创办新式学堂的同时，清朝政府还采纳了刘坤一、张之洞等人提出的“多派士人出洋留学”的主张，通令各省迅速选派，鼓励自费留学，并让出使大臣留心察访华侨子弟就近留学。学生学成回国后，经考核合格，分别赐给进士、举人、贡生等出身并予以任用。由于不分官费、自费，概以科名奖赏学成归国者，20世纪初出现了“留学热”。其中，日本和美国成为中国学生主要留学的国家。
由于地近费省等原因，加上官员的倡导与支持，留日逐渐成为主流。由于办理新政急需大量人才，袁世凯等清朝官员大力支持留日活动。日本在日俄战争中的胜利，以及日本政府与民间的积极推动，都促进了留日活动的兴起和发展。1903年，官费、自费留日学生已有1300多人，1905年增至8000人，1906年又增加到12000万人。留日学生大多重视对社会科学相关专业的学习，尤其是法政和军事，归国后主要从事政治、军事、外交等事业。1908年5月，美国国会正式确认将“庚子赔款”的剩余部分退还给中国，并作为中国派遣留学生赴美深造的专款。自1909年起，清朝政府平均每年选派60名学生赴美，逐渐形成了留美热潮。1910年，官费、自费留美学生约有500人，辛亥革命前夕又增至650人。清末留美学生以官费生为主，主要学习工程技术及其他理工科专业，回国后多从事自然科学研究与教学。
清末新政的教育改革，为近代中国社会的新陈代谢注入了强劲的动力。一方面，随着科举制度的废除，传统士人读书做官之路被彻底断绝，士人阶层彻底分化，儒家思想所维系的“四民社会”秩序逐渐解体；另一方面，新式学堂教育与留学教育的蓬勃发展，也促成了新型知识分子群体的形成。而在这一破一立之间，新政改革的成效，也远远超出了清朝政府所能掌控的范畴。清朝政府废科举、兴学堂、奖励留学，其本意是想获得大量忠君爱国、服务政府的人才，然而结果却事与愿违。不少接受了新式教育洗礼的知识精英，最终服膺民主革命思想，加入革命阵营，做了清王朝的掘墓人。