鹹豐十年(1861年),清政府設立了總理各國事務衙門(簡稱總理衙門),負責對外事務。次年,鹹豐皇帝總理衙門大臣奕訴的奏請,設立京師同文館,作為附屬於總理衙門的一所外國語學校,培養對外人員。是年五月,京師同文館在北京正式開辦,設英文、法文、俄文三館,規定招收學生十人,最多不超過24人。隻招收14歲以下的八旗子弟,由總理衙門考查錄取,依次傳補。第二年,變通章程,改為每館招收十人。同治五年(1866年),總理衙門又奏請皇帝,要增設天文、算學科目,聘請洋人來教習,理由是“洋人製造機器、火器等器,以及行船、行軍,無一不自天文、算學中來。”於是陸續增設了算學(包括天文)、化學、格致(包括力學、水學、聲學、氣學、火學、光學、電學)、醫學四館。錄取學生的方法也相應變動。規定由京內外各衙門保舉三十歲以下的翰林院庶吉士、編修、檢討及五品以下由進士出身的官員,或舉人、貢士等未仕人員,最後由總理衙門考查錄取入學。同時規定“三年考列到高等者,按升階優保班次,以示鼓勵。”學生的生活待遇從優,先是每月每人給膏火銀3兩,後改為每人每月薪水銀10兩,並供給飯食。
同文館設立之初遭到清政府內極端守舊派人士的反對。
監察禦史張盛藻認為強盛中國的辦法依舊是堯舜之道,隻有通過精讀孔孟之書,明體達用,才能使國家規模宏大,所以他極力反對向洋人學習製造輪船、洋槍技術,主張朝廷命官一定要任用科甲正途者。接著,大學士倭仁也不斷提出“立國之道當以禮義人心為本,未有專恃術數而能起衰振弱者。天文、算學隻為末議,即不講習,於國家大計亦無所損。”從此,守舊派與洋務派在同文館的設立上發生了激烈爭論。倭仁聲望在當時學界很高,是理學權威,他一出來反對,響應者頗多,這樣,京師同文館雖然設立了講習天文、算學等自然科學的科目,但投考的人卻寥寥無幾。
同治十三年(1874年),總理衙門提出六條“緊急機宜”,發給各省總督、巡撫籌議。以李鴻章為首的實力派大肆倡導,辦洋務已成為一種時尚,於是同文館也隨之逐步興盛起來。在此之前曾增設了德文館,隨後又增設了東文館。光緒十三年(1887年)規定學生增加到120人。光緒二十一年(1895年)改學製三年為八年,分前館五年,後館三年。課程包括漢文、外文、天文、算學、物理、化學、世界史地和萬國公法等科目。此外設有為教學服務的化學實驗室、物理實驗室和博物館、天文台等。在此之前,還於同治十二年(1873年)設立了印書處,有中體和羅馬體活字四套,手搖機七部,承印同文館和總理衙門所翻譯的數、理、化、醫學曆史等書籍和文件。
同文館設管理大臣,由總理大臣委派,初由一人擔任,以後時有由二人擔任,負責主持管理同文館事務。其下設提調工人,幫助調二人,負責安排課程及督察學生勤惰之事。同文館的教課人員有總教習一人,洋教習若幹人,還有漢教習和漢文教習三人。總教習多由外國人擔任。同文館的經費、人事等方麵多為總稅務司英國人赫德所控製。同文館先後聘請了外國傳教士包爾騰、傅蘭雅、丁韙良等擔任教習或總教習,其中由赫德提名的總教習美國傳士丁韙良總管校務近30年。按規定,同文館不允許傳播西方宗教,但實際上洋教習們總是借機進行傳播。
光緒二十七年底(1902年)初,京師同文館並入京師大學堂,改稱“譯學館”,內設英、俄、法、德、日五國語文科目。