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道光二十年（1840）鸦片战争的炮火，改变了中国的历史进程。
嘉庆中叶后，清朝的统治日趋衰弱。统治者却依旧自诩“天朝上国”，虚骄自大，闭目塞听。而同一时期，欧美资本主义却有了长足发展，并把地域辽阔、人口众多的中国，作为它们扩大海外市场的主要目标。为攫取暴利，外国商人从华南将大量鸦片走私输入中国，导致中国白银外流，政府财政收入短绌，并愈演愈烈。事态的发展，引起朝野人士的警觉。道光十八年十一月，清朝政府任命林则徐为钦差大臣，赴广东查禁鸦片。
次年春，林则徐抵达广州，随即开展禁烟，严查烟贩，整顿水师，晓谕外商呈缴鸦片。同年四月二十二日，在虎门海滩当众销毁英、美等国商人呈缴的二万余箱鸦片。中国的禁烟措施，遭遇英国政府的强烈反应。道光二十年初夏，由四十八艘舰船和四千余名官兵组成的英国远征军封锁了广州珠江口，鸦片战争爆发。在林则徐的部署下，广州军民严阵以待。英军无隙可乘，遂北犯福建厦门，也未得逞。又进犯并攻陷浙江定海，继而又前往天津海口，将英国外交大臣巴麦尊的照会送交直隶总督琦善，要求中国割地、赔款。
面对英军的进逼，道光皇帝选择妥协，委派琦善为钦差大臣，前往广州与英方谈判，并将林则徐革职。谈判尚在进行时，英军又强行占领香港，并发布文告诡称已与琦善订立《穿鼻草约》，将香港岛割让给英国。清朝政府大为震怒，于道光二十一年一月对英宣战，并派皇侄奕山为靖逆将军，率兵赴广东作战。次月，英军攻占虎门炮台，广东水师提督关天培战死。琦善被锁拿入京问罪。同年四月，广州城郊三元里发生民众自发抗击英国侵略者的斗争，显示了中国人民反抗外来入侵的勇气。
同年夏秋，英军继续扩大战火，先后攻陷福建厦门、浙江定海、镇海和宁波。皇侄奕经奉命赴浙江主持军务，连遭挫败，逃至杭州。道光二十二年，英军攻陷吴淞口炮台，守将陈化成战死。之后，英军一度侵占上海、宝山，又闯入长江，攻陷镇江，切断京杭大运河南北交通，继而直抵江南重镇——南京城下。同年七月二十四日，清朝政府在英军的炮口下，被迫签订了丧权辱国的《南京条约》。这是晚清第一份不平等条约，严重损害中国的主权。它规定中国割让香港，赔款二千一百万银元，广州、厦门、福州、宁波、上海等五个口岸城市对外通商，此外英国还享有协定关税、领事裁判权和片面最惠国待遇等特权。美国、法国随之也接踵而至，先后胁迫清朝政府与他们签订了不平等条约。道光二十九年，葡萄牙驱逐中国在澳门的官吏，停付租金，公然强占了澳门。
鸦片战争的发生，促使一部分有识之士摆脱虚骄之气，睁眼观察陌生的外部世界。林则徐主持编译的《四洲志》、魏源在《四洲志》基础上扩充重编的《海国图志》等书，重点都是介绍外国历史和地理。《四洲志》按照世界五大洲，分别叙述各国的历史、地理概况和社会现状。《海国图志》除了增补原有的部分，还介绍中外的地理学说、外国军事的和日用的科学技术，共一百卷，是当时了解外国的一部主要论著。魏源在书中还明确提出“师夷之长技以制夷”的思想，主张学习外国先进技术，增强国力，抵御外侵。他当时所注目的外国长技，主要是指战舰、火炮和养兵练兵之法。他主张在广东虎门附近设立造船厂和火炮局，聘请法国、美国等国技师，帮助中国制造舰船枪炮，同时选派中国能工巧匠跟从学习，争取在一二年后直接掌握制造技术，不再仰赖外人。但是这种主张并没有被清朝政府采纳，中国依旧暮气沉沉，毫无革新振作的举措。时隔十余年后，再次遭受外来入侵的蹂躏。
咸丰六年（1856）至咸丰十年的第二次鸦片战争期间，英、法联军长驱北上，攻入北京，集中国园林建筑艺术精华的一代名园——圆明园惨遭焚毁。此前，咸丰皇帝令其弟恭亲王奕䜣为钦差大臣留守北京，与英、法议和，自己则仓皇逃往热河行宫。在列强的威逼下，中国被迫答应增开通商口岸、开放长江和外国公使驻京等条款。黑龙江以北、乌苏里江以东的大片领土，也被沙俄强行侵夺。
战火刚平息不久，咸丰十一年七月，避居热河的咸丰皇帝病死，六岁幼子载淳继位，肃顺等八大臣受命辅佐。载淳的生母叶赫那拉氏，本是咸丰宠妃，常代咸丰批阅奏章。载淳继位，她被称为慈禧太后。同年十一月，她与奕䜣及兵部侍郎胜保等人联手，发动政变，解除八大臣的赞襄政务王大臣职务，处死肃顺、载垣、端华，其他人分别革职遣戍。奕䜣被任命为议政王，桂良、沈兆霖、文祥等为军机大臣，奕䜣兼管军机处，并将肃顺等人拟定的皇帝年号祺祥改为同治，以示太后和皇帝一同治理天下，实际权力则被慈禧掌握。中国开始了长达四十八年的慈禧统治时代。
第二次鸦片战争对清廷的震动是空前的，严峻的形势逼迫清政府采取了一些变革措施，其中之一是设立总理各国事务衙门，作为统理对外事务的权力机构，由奕䜣领衔执掌。清朝政府原先以“天朝上国”自居时，设有理藩院处理与邻国的交往。摒弃理藩院，改设总理各国事务衙门，是清朝政府对外关系的一大变革，以后又有驻英、法等国公使派遣之举。
还在道光三十年十二月初六日，在广西桂平县的金田村就爆发了太平天国农民起义。清军虽出动围剿，但起义军发展很快，兵出广西，进湖南，入湖北，然后挥师东下，于咸丰三年二月攻克南京，改称“天京”，定为首都，形成与清朝政府对峙的局面。为对付农民起义，正在家乡湖南湘乡因母丧守制的礼部侍郎曾国藩，奉命出任团练大臣，募勇招丁，于次年初组建了湘军，成为太平军主要的交战对手。
太平军定都天京后，洪秀全、杨秀清等首领追求享乐，内部矛盾加剧，终至发生自相残杀的“天京事变”，太平天国也因此由盛转衰，并于同治三年（1864）归于失败。太平天国失败后，各地农民的反抗斗争渐趋低落，但南方的太平军余部，北方的捻军，以及西南、西北地区少数民族的反清斗争，还在继续进行，其中捻军一度声势很大，驰骋转战中原、华北各省，但最后也都遭到失败。
在镇压太平军的过程中，曾国藩、李鸿章等一批汉族官员，通过编练湘军、淮军，逐渐掌握了地方大权，并在奕䜣等人的支持下，发动了引进西方先进技术的洋务运动，以支撑日趋衰弱的清朝统治。洋务运动的主要内容，最初是置办近代军事装备，建立军事工业，训练新式海陆军和培养洋务人才，后逐渐扩展到开办矿务、轮船、电报、铁路以及纺织等近代企业。首批创办的近代企业是军事工业。咸丰十年，曾国藩在安徽安庆创办内军械所。次年，李鸿章在江苏苏州设立制炮局。太平天国被镇压后，清朝政府继续举办军事工业。同治四年，李鸿章在上海设立江南制造局，制造轮船、枪炮、水雷、火药等，这是清朝政府所办的规模最大的军事工业。同年，李鸿章将苏州制炮局移至南京，设立金陵制造局。次年，左宗棠在福州开办福州船政局。以后，在天津、西安、兰州、昆明、广州、济南、成都、吉林、北京、杭州、汉阳等地，陆续有十余家军事工业创办，制造枪炮军械。截至光绪二十年（1894），清朝政府在各地共举办了十九家军事工业，雇佣工人一万余名。
同治十一年始，洋务派官员在经营军事工业的同时，陆续兴办了轮船、煤矿、冶铁、纺织、电报、铁路等民用工业和交通运输业。这些企业的开办，一方面是为了适应军事工业对燃料和原材料的需求，一方面是为了获取利润，以补充军事工业的经费不足。至光绪二十年，共举办民用企业二十余家，雇佣工人近三万名，其中有轮船招商局、开平矿务局等较具规模的近代企业。
洋务运动的开展，需要培养一批懂得近代科学文化和技术的人才。同治元年，奕䜣在北京设立同文馆，挑选八旗十三四岁以下的儿童学习英、法、俄三国语言文字，延请外国教师分馆教习。同治二年，李鸿章在上海设广方言馆，由江浙一带考选幼童和年轻官吏入馆学习外国语言文字。同年，广东也开设类似学馆。同治四年，李鸿章在江南制造局附设翻译馆，翻译外国科学书籍。次年，京师同文馆添设天文算学馆，招收年轻的满、汉举人以及翰林和正途出身五品以下京外各官入学。以后，又相继开设化学、医学等课程。同治十一年，曾国藩、李鸿章挑选幼童三十名，赴美国求学，是为晚清第一批官费留学生。至光绪元年，前后共有四批一百二十人。光绪二年以后，清朝政府又挑选福州船政局艺局学生和制造艺徒，相继分赴英、法两国留学深造。
在洋务派兴办民用工业的前后，另有一些民间资本独立创办了一些近代民族资本主义企业。到光绪二十年时，民族资本近代工业约有七十至八十家，它们主要分布在缫丝、棉纺织、面粉、火柴、造纸、印刷、榨油等业。
这一时期，随着洋务运动的展开和民族资本主义的出现，产生了王韬、薛福成、马建忠、郑观应、陈炽等中国早期资产阶级维新思想家。他们或早年出国游历，或充任买办，或涉足外交，或参与洋务运动，亲身接触西方先进的科学技术和近代社会政治学说，并继承和推进林则徐、魏源等人的“经世致用”思想，主张向西方学习，要求维护国家独立，特别是要求发展民族资本主义，改行君主立宪政体。他们的思想和主张，成为日后戊戌维新思潮的先声。
同治年间，中国与很多西方国家陆续订约，建立起外交、商务关系。英、法、俄、美在北京设立使馆后不久，其他一些国家也提出同样的要求。清朝政府最初拒绝，后在列强的压力下，一概应允。同治元年至同治八年间，先后订约建交的有普鲁士、丹麦、荷兰、比利时、意大利和奥匈帝国。它们与英、法、俄、美一样，攫取了领事裁判权和片面最惠国待遇等权利。
同治末年，中国的东南、西南和西北边疆，都遭遇列强的武力侵犯。
在东南沿海，同治十三年，日本政府以高山族人与琉球渔民的冲突为借口，悍然出兵进犯台湾，遭到台湾军民的英勇抗击。同年秋，中日订立《台事专约》，中国对日赔款五十万银两，以换取日军撤离台湾。次年，日本政府强迫琉球王国脱离与中国的宗藩关系，光绪五年又将其强行吞并，成为日本的冲绳县。面对日本咄咄逼人的扩张，为了加强台湾的防务，光绪十一年清朝政府在台湾设立了行省，由刘铭传出任首任台湾巡抚，进一步加强了台湾与祖国大陆的联系，促进了台湾经济、文化的发展。
在西南边疆，同治十四年英国人马嘉理引导一支英国武装“探路队”由缅甸闯入云南腾越，与当地军民发生冲突，马嘉理身亡。英国政府以此发难，施以武力恫吓，于次年迫使清朝政府订立中英《烟台条约》，规定中国赔款谢罪，并增开宜昌、芜湖、温州、北海为通商口岸。光绪十四年，英军又武装进犯西藏，被当地军民击退。
在新疆地区，同治十年，沙俄出兵侵占伊犁，并有中亚浩罕汗国阿古柏军队扩大对天山南北地区的武装侵占。光绪二年，左宗棠受命任钦差大臣，督办新疆军务，率军西征，以武力收复新疆。在当地人民的协助下，西征军接连告捷，到光绪四年初，攻占喀什噶尔，收复了除伊犁地区以外的新疆全部失地，以后又通过中国驻俄公使曾纪泽的据理力争，于光绪七年签订中俄《伊犁条约》，收复了伊犁地区。光绪十年，清朝政府根据左宗棠的多次建议，在新疆正式建省，省会设于乌鲁木齐，任命参与收复新疆的刘锦棠为首任新疆巡抚，加强了新疆与内地的联系。
同年，中法战争爆发。早已侵占越南的法军从海陆两路武装进犯中国。是年夏，法国舰队对驻泊于福州马尾港内的福建海军舰船发动突然袭击，福建海军和马尾船厂遭受重创。继而，法军又进攻台湾，被击退。中越边境的战事也十分激烈。光绪十一年春，法军进攻镇南关，年近七旬的老将冯子材率部大破法军，法军败退谅山，清军遂又进克谅山。清朝政府未乘胜追击，而是在同年初夏签订了中法《天津条约》，法国取得了在中国西南边境通商、筑路等特权。
中法战争期间，福建海军损失惨重。光绪十一年，清朝政府设立海军衙门，由醇亲王奕
任总理海军大臣，庆郡王奕劻和李鸿章为会办，并由李鸿章具体主持，曾纪泽帮助办理。李鸿章遂着手组建北洋海军。次年，北洋海军正式成军，共拥有新旧舰船二十余艘。与此同时，李鸿章还下令在旅顺口、大连湾、威海卫等地修筑海岸炮台，并于旅顺建设船坞，以旅顺、威海卫两地军港为北洋海军的基地，由淮系将领丁汝昌出任海军提督。
未及十年，中国又遭遇日本的侵略战火，北洋海军也遭全军覆灭的厄运。
日本在明治维新后，随着国力的强盛，对外扩张的野心日增。光绪二十年，日本利用清军赴朝鲜帮助平定东学党农民起义之机，调遣大批日军进入朝鲜，蓄意挑起战端，并在黄海丰岛附近水面和朝鲜成欢分海、陆两路进袭清军。同年七月一日，中日正式宣战，史称甲午战争。战争持续近九个月，清军连遭败绩，最后辽东半岛沦陷，北洋海军也全军覆灭。次年春，中日《马关条约》订立，规定中国将辽东半岛、台湾岛及其附属岛屿和澎湖列岛割让给日本，赔偿日本军费二亿两白银，增开沙市、重庆、苏州、杭州为通商口岸，允许日本在中国各通商口岸投资设厂，承认日本对朝鲜的控制。日本对辽东半岛的占有，引发对中国东北同样抱有野心的沙俄的不满，后在俄、德、法三国的联合干预下，清朝政府以三千万两白银从日本手中赎回了辽东半岛，但台湾诸岛仍被日本侵占。
《马关条约》对台湾的割让，遭到台湾军民的强烈抵制。他们致电清朝政府反对割地，并拿起武器，开展反割台斗争，先后在新竹、彰化、云林等地英勇阻击入侵的日军，在彰化保卫战中，刘永福所部几乎全部战死。同年九月，台南失守，台湾全省沦陷。
甲午战争的惨败，在中国引起极大震动，由康有为、梁启超等人倡导的戊戌维新运动兴起和高涨。维新派通过兴办报纸、学会和学堂，宣传资产阶级的政治学说，传播民权和平等思想，主张兴民权、设议院，实行君主立宪，要求废除科举制度，提倡设立新式学堂，学习西学。他们的主张，得到颇想有所作为的光绪皇帝的赞同。光绪二十四年四月二十三日，光绪颁布“明定国是”诏书，宣布实行变法。变法的内容涉及政治、军事、经济和文化教育等诸多方面，主旨是变革旧的社会制度，通过实行君主立宪，发展资本主义，谋求国家摆脱危机，由弱转强。变法的推行，招致封建顽固守旧派的攻讦。同年八月六日，慈禧太后下令囚禁光绪皇帝，捕杀维新志士。康有为、梁启超匆忙出逃日本，谭嗣同、杨锐、刘光第、林旭、杨深秀、康广仁等“戊戌六君子”在北京菜市口被杀。戊戌变法仅持续百余天即告失败；除京师大学堂（今北京大学的前身）留存外，其余变法措施均被废止，中国依旧在封建专制制度的严酷统治下。
在康有为等人倡导戊戌维新的同时，孙中山等人也在探索爱国救亡的新途径。与康、梁等人不同，孙中山在少年时就有机会赴檀香山（今美国夏威夷）求学，对西方近代文化和社会政治学说有更多的了解。甲午战争尚在进行时，孙中山就从广州经上海赶赴天津，劝说直隶总督李鸿章推行改革，遭到拒绝后决意采用武装革命的手段去拯救中国。光绪二十四年秋，他在华侨的支持下，在檀香山成立了中国第一个资产阶级革命团体——兴中会，宗旨是“振兴中华，维持国体”，并提出了“驱除鞑虏，恢复中国，创立合众政府”的革命目标。随即就着手筹备广州起义，因事泄未及发动而遭失败，孙中山被迫长期流亡海外，继续他的革命生涯。
甲午战争后，与世界资本主义向垄断阶段的过渡相联系，列强在中国的经济活动突出表现为大量的资本输出，以及对中国财政、金融等经济命脉的控制，并加紧了争夺势力范围的斗争，中华民族与外国帝国主义之间的矛盾空前尖锐。光绪二十六年，华北大地掀起义和团反帝爱国斗争浪潮。清廷出于对自身利益的考虑，对义和团暂表支持，并一度对外宣战，北京、天津等地义和团的反帝斗争呈现高潮。英、美、法、德、意、日、俄、奥等国组成八国联军，侵入中国，血腥镇压。这一时期，以两江总督刘坤一、湖广总督张之洞为首的东南督抚，则与各国驻上海的领事达成《中外互保章程》九条，规定上海租界归各国共同保护，长江及苏杭内地均归各督抚保护，两不相扰，以保全上述地区免于战乱。“东南互保”的推行，抑制了江南地区群众的反帝斗争。面对强敌，华北的义和团奋起反抗，伤亡惨重。同年七月，北京沦陷，慈禧太后携光绪皇帝仓促逃往西安。
次年八月，中国被迫与德、奥、比、西、美、法、英、意、日、荷、俄十一国驻华公使签定《辛丑条约》，规定向各国赔款白银四亿五千万两，分三十九年偿付，本利合计近十亿两，关税、盐税都由列强控制，作为偿付赔款之用；在北京设立东交民巷使馆区，使馆区及北京至大沽和山海关的铁路允许外国军队驻守，大沽炮台完全拆毁；由清朝政府下令永远禁止中国人成立或加入反帝组织，违者处死。清朝政府的腐败、无能，暴露无遗。越来越多的爱国者抛弃了对它的幻想，走上了革命的道路，留日学生是其中的骨干。
十九世纪和二十世纪之交，受民族危机不断加深的刺激，一批批青年学生带着寻找救国真理的热切愿望，纷纷去国外求学。离中国最近的日本，去的人数最多。光绪二十六年约有百余人，光绪二十八年陡增至千余人。留日学生中后来一些著名的革命者，如黄兴、邹容、陶成章、廖仲恺和何香凝等人，都是在这一年到达日本的。促使众多知识分子投身革命的，是光绪二十九年发生的拒法、拒俄运动。是年春，广西巡抚王之春欲借法国军队镇压广西的农民起义，激起上海爱国人士的激烈反对。接着，由于沙俄背弃协议，拒绝撤回在义和团运动期间乘机侵占中国东北的军队，并向清朝政府提出七项新的侵略要求，妄图永久霸占东北，引发了留日学生与上海知识界掀起的拒俄运动。这一爱国行动，却遭清朝政府的极力遏制，许多知识分子因此断然走上革命的道路。黄兴、陈天华等人，相继回到国内，秘密组织反清革命团体。
国内知识分子的爱国活动，也在积极开展。一些宣传爱国救亡的进步报刊在上海相继问世，如光绪二十八年创办的《新世界学报》和《大陆》月刊，次年出版的《国民日报》和《中国白话报》，以及光绪三十年创刊的《女子世界》和《警钟报》等。与此同时，还出版了许多介绍西方资产阶级社会政治学说的译著，内有亚当·斯密的《原富》、穆勒的《名学》、斯宾塞的《群学肄言》、孟德斯鸠的《法意》等书，都由严复译介；介绍欧美资产阶级革命的译著，有留日学生翻译的《美国独立战史》、《法兰西革命史》和《华盛顿》、《林肯》等。
紧接着拒法、拒俄运动，邹容所著《革命军》一书在上海出版，章太炎则在《苏报》上发表了《驳康有为论革命书》与《〈革命军〉序》。这些反清革命论著的发表，产生很大的社会反响，清朝政府惊恐恼怒，要求租界当局逮捕邹容和章太炎，酿成轰动全国的“《苏报》案”，革命思想的影响更为扩大。
光绪二十七年始，为了缓解统治危机，清朝政府着手推行了“新政”，设立督办政务处，由奕劻、李鸿章（同年秋李死后由袁世凯接任）、荣禄、昆冈、王文韶、鹿传霖等六人负责筹办新政，后又增补瞿鸿禨、刘坤一、张之洞遥为参预。新政措施涉及广泛，包括在保留军机处的前提下，厘定中央官制为十一部四院一府。十一部为外务部、吏部、民政部、度支部、礼部、学部、陆海军部、法部、农工商部、邮传部、理藩部。四院即都察院、资政院、审计院、大理院。一府是军咨府。另有裁汰制兵练勇，编练新军；设立路矿农务工艺诸公司，奖励实业，振兴商务；开办户部银行，推进近代金融业；通令各地书院一律改为新式学堂，各省称大学堂，各府及直隶州称中学堂，各州县称小学堂，并创设各种实业和师范学堂，推广西学；光绪三十一年，又明令废除科举制度。新政的推行，没有触及封建专制统治制度，中国的局面未有明显的转机。
《辛丑条约》后，列强在中国争夺势力范围的角逐依然剧烈。光绪三十年初，日本在英、美等国的支持下，出兵中国东北，突袭盘踞那里的沙俄军队，日俄战争爆发。清朝政府无力保护自己的国土，只能宣布“局外中立”，坐视日俄两国在中国领土上厮杀，当地人民蒙受巨大灾难。战争以俄国的失败告终，次年订立的日俄《朴茨茅斯和约》，将中国东北的南部变成日本的势力范围，俄国则继续据有东北的北部。后日本又逼迫中国承认这种划分。同年签订的《中日会议东三省事宜》正约及附约，还同意增开凤凰城（今凤城）、辽阳、新民屯、铁岭、通子江、法库门、长春、吉林、哈尔滨、宁古塔（今宁安）、珲春、三姓、齐齐哈尔、海拉尔、爱珲、满洲里等地为商埠。允许日本直接经营安奉铁路，并在鸭绿江右岸采伐木材。光绪三十二年，日本在中国东北成立了南满铁道株式会社，并设立“关东都督府”，对旅大“租借地”实行殖民统治。
光绪三十年，中美签订的《限禁来美华工保护寓美华人条约》十年期满。清朝政府在华侨和国内舆论的要求下，提出修改这份推行种族歧视、限制华工入境的排外条约。美国政府不予置理，并于次年春逼迫中国签订续约。上海总商会闻讯发起抵制美货运动，得到各界人士的广泛响应，并扩大到全国一百多个城市。以后，美国政府未再提出续约之事。在这前后，又有各阶层人民的收回利权运动，主题是从列强的手中收回中国的矿山开采权和铁路修筑权。收回路权的斗争，尤其尖锐。光绪二十九年，商部颁布重订《铁路简明章程》，允许民间自办铁路。京汉、津浦、沪杭甬等铁路涉及的省份，都提出了自办的要求。光绪三十年，湖北、湖南、广东三省人民要求废除被美国攫取的粤汉路权，得到其他省份的呼应。次年，奥汉路权终于收回。
《辛丑条约》后，下层民众的负担空前加重，苛捐杂税多如牛毛，不堪承受。各地群众自发反抗列强压迫和封建剥削的斗争此起彼伏，连绵不绝，其中有义和团余众的武装斗争，各地的抗捐、抗粮、抗租斗争，反洋教斗争和工人的罢工等多种形式。
面对民族危机，民间资本实业救国的呼声格外强烈。中国资本主义明显发展，民族资产阶级的力量壮大。除一部分人赞同革命外，他们中的相当多数选择温和的途径，要求改变封建专制制度，实行君主立宪，逐步开展了敦促清朝政府实行政治变革的立宪运动。为笼络人心，清朝政府先是派载泽、戴鸿慈、端方、李盛铎、尚其亨等五大臣出洋考察宪政，后于光绪三十二年宣布“预备立宪”，从改革官制入手，继而厘定法律，倡兴教育，整顿武备，设立巡警，作为立宪的“预备”措施。受此鼓舞，立宪运动的参与者众多。同年底，张謇、汤寿潜等人在上海成立了预备立宪公会；接着，汤化龙在湖北成立宪政筹备会，谭延闿在湖南成立宪政公会，丘逢甲等人在广东成立了自治会。次年秋，清廷又宣布在中央筹设资政院，各省筹设谘议局，作为未来的国会和省议会。立宪派的政治活动，因而更为积极。
光绪三十四年秋，光绪皇帝和慈禧太后在两天内相继死去。醇亲王载沣的三岁幼儿溥仪继承皇位，改元宣统。载沣以摄政王监国，罢斥权势很大的袁世凯，由皇室成员控制了兵权。是年，各省谘议局成立，并于次年始连续三次联手发动国会请愿，要求速开国会，成立责任内阁，实现君主立宪。清朝政府虚与委蛇，在宣统三年（1911）宣布成立的责任内阁十三名成员中，皇族竟占了七名。这表明清廷并无实行君主立宪的诚意，令抱有很大热情的立宪派大失所望，产生了强烈的愤懑情绪。而清朝政府仍一意孤行，又宣布将本来已答应由各省人民集股自办的川汉、粤汉铁路“收归国有”，接着还把这些铁路的筑路权出让给列强，直接损害了包括民族资产阶级和地方士绅在内的各界群众的切身利益，当即遭到湖南、湖北、广东和四川等省民众的强烈反对。其中，四川的保路运动声势最大，并在一些地区发展成为武装反清斗争。
拒俄运动后，资产阶级革命派加强了在国内的活动。光绪三十年，已先后建立起十多个革命团体，分布在江、浙、湘、鄂、皖、闽、赣、川、陕诸省，其中有黄兴、陈天华等人在长沙建立的华兴会，陶成章、蔡元培等人在上海成立的光复会，张难先、吕大森等人在武昌设立的科学补习所。这些团体的成立，为建立全国性的革命组织提供了条件。光绪三十一年夏，孙中山在日本东京召集各革命团体的代表开会，决定成立统一的革命组织——中国同盟会，通过了“驱除鞑虏，恢复中华，建立民国，平均地权”的十六字纲领。同盟会总部设于日本东京，孙中山出任总理。总理以下，设执行部、评议部、司法部；国内按地区设东、西、南、北、中五个支部，支部以下各省设立分会；国外设南洋、欧洲、美洲、檀香山四个支部，支部以下设立分会。
中国同盟会成立后，一方面以《民报》为阵地，着力宣传革命思想，一方面积极开展武装斗争。光绪三十三年至宣统三年（1911），同盟会在华南和西南地区先后发动潮州黄冈起义、惠州七女湖起义、钦廉防城起义、镇南关起义、钦廉上思起义、河口起义、广州新军起义和黄花岗起义，但均告失败。这期间，革命党人徐锡麟和秋瑾曾分别在安徽和浙江发动武装起义，也遭清军镇压，两人不幸遇难。但革命党人并不气馁。
在各地保路运动风起云涌之时，文学社和共进会，湖北地区这两个以中国同盟会成员为骨干的革命团体，加紧了武装起义的准备。经过他们长期艰苦细致的宣传和发动，在一万六千多人的湖北新军中，这时已大约有三分之一的士兵和一些下级军官加入了这两个革命组织，为起义奠定了扎实的基础。宣统三年八月十九日晚上，震惊中外的武昌起义爆发。经过一夜的激战，到次日中午，革命党人已控制了武昌全城；第二天又占领了汉阳，并宣告成立了新生的革命政权——中华民国湖北军政府。到了第三天，汉口也被革命党人攻克，武昌起义取得了胜利。
武昌起义的消息，很快传遍大江南北。各地革命党人纷起响应，出现席卷全国的革命风暴。资产阶级立宪派和一部分旧官僚，见清政府大势已去，也都附和了革命。仅一个多月，全国已有湖北、湖南、陕西、江西、山西、云南、贵州、江苏、浙江、广西、安徽、福建、广东、四川等十四省相继宣布独立，脱离了清朝的统治，其他省区的反清斗争也在激烈地进行。1911年是旧历辛亥年，所以这场革命史称辛亥革命。同年底，各省代表在南京集会，商议成立中央临时政府。已经独立的十七省，都派代表与会。会上，孙中山以十六票对一票的绝对多数，当选为中华民国第一任临时大总统，并于次年元旦正式就任。
武昌起义爆发后，为了应付危局，清朝政府被迫起用当时解职在家的袁世凯，由他出任掌握军、政大权的内阁总理，负责镇压革命。袁世凯在列强的支持下，一方面派重兵直逼武汉三镇，一方面借革命力量的声势，逼清皇室退位，并以此为筹码，与革命党人约定，若他能使清皇室退位，就由他接任中华民国临时大总统。1912年2月12日，迫于革命形势和袁世凯的催逼，清皇室颁布了退位诏书，统治中国二百六十多年的清王朝宣告灭亡，这也标志着长达二千余年的封建君主专制制度的终结。中国的历史从此翻开新的一页。