光緒二十二年(1896年)六月十二日,刑部侍郎李端棻上奏光緒帝,提出應自京師以及各省府州縣皆設學堂,京師大學惟益加專精。對此光緒帝諭旨:此事由總理衙門妥議。七月,協辦大學士孫家鼐奉旨召集有關官員商議辦學堂事,強調應以“中學為主,西學為輔;中學為體,西學為用。”為辦學方針。並決定於北京西城原同文館附近買地籌金擴建學舍。光緒二十四年(1898年)二月十五日,禦史王鵬運上奏光緒帝再次提出開辦京師大學堂。光緒帝下渝:“妥速辦理”。六月十一日,光緒帝頒“明定國是”詔,實行變法。隨後,命軍機大臣和總理衙門妥議開辦京師大學堂事。決定由梁啟超參考日本和西方各國學製起草《京師大學堂章程》,章程分八章五十二條。規定:京師大學堂的辦學方針為:“中學為體,西學為用,中西並用,觀其會通”。課程分為普通學和專門學兩類。以經學、理學、中外掌故學、諸子學、初級算學、格致學、地理學、文學及體操學為普通學科;以各國語言文學、高等算學、格致學、政治學、地理學、農學、礦學、工程學、商學、兵學、衛生學為專門學科。章程還規定“各省學堂皆歸大學堂統轄”。同時提出“寬籌經費”、“宏建學舍”、“慎選管學大臣”、“簡派總教習”等建議。七月三日,朝廷批準設立京師大學堂。隨後委派吏部尚書、協辦大學士孫家鼐為管學大臣,管理大學堂事務。任命張元濟為大學堂總辦(後又由黃紹箕、餘誠格分別繼任)。任命朱祖謀、李家駒為提調,許景澄為總教習,劉可毅、駱成驤為教習。原同文館總教習丁韙良為西學總教習。同時決定將原設官書局和新設譯書局並入大學堂。由管學大臣督辦。光緒二十四年(1898年)八月九日,京師大學堂正式開學,學員不足百人,多為世家官宦子弟及少數各省中學堂選送的高材生。十二月三十日,又設立師範齋,規定於前三級學生中選其高材生為師範生,專講教學之法,為以後派往各省學堂充當教習之用。次年九月,又設立史學、地理、政治三學堂。改派許景澄為管學大臣,黃紹箕為總辦,劉可毅、駱成驤仍為教習。光緒二十六年(1900年),義和團運動在京津一帶興起,京師大學堂內師生對此議論紛紛。管學大臣許景澄與京官袁昶等力主鎮壓。不久許以“極諫”圍攻使館和排外宣戰的罪名而被清廷殺戮,教習劉可毅也被殺害。消息傳來京師大學堂學生四散離去,校舍封閉,藏書損失殆盡。九月,慈禧太後下令停辦京師大學堂。
光緒二十八年(1902年)一月七日,慈禧太後從西安返京籌辦“新政”。十日,派張百熙為京師大學堂管學大臣,命其修改辦學章程,擴大京師大學堂的規模。京師大學堂重新恢複。二月十三日,張百熙奏陳籌備情況:一、準備設預科,預科分政科和藝科兩門;設速成科,分仕學館、師範館。二、添建講舍,在原有一百四十餘間的基礎上添蓋一百二十餘間。購西城瓦窯地方土地一千三百畝蓋房。落成後除預備、速成兩科外,新奏旨送大學堂仕學館學習肄業的進士,附設醫學館的學生一並遷入。三、附設譯局,譯局由官書局籌辦。四、經費:由華俄銀行撥發百萬,大省每年撥二萬;中省一萬;小省五千。又決定任命吳汝綸為大學堂總教習,張鶴齡為副總教習,於式枚為總辦,李家駒、趙從蕃為副總辦。對以上提議慈禧太後加以批準。十月十四日,京師大學堂正式舉行招生考試。速成科學生考試科目有史論、輿地策、政治策、交涉策、算學策、物理策及外國文論七門。師範館由各省選送學生若幹,考試科目有:修身倫理大義、教育學大義、中外史學、中外地理學、算學、代數、物理化學、淺近英文、日文等。仕學館由各省推薦,不參加考試。結果共錄取學生92名。後來又擴招九十名。十二月十七日,京師大學堂正式開學。光緒二十九年(1903年)二月,又增設了進士館、譯學館及醫學實業館。畢業生分別授給貢生、舉人、進士頭銜。一個月之後北京掀起了拒俄運動,四月三十日,京師大學堂師範館、仕學館學生二百餘人鳴鍾上堂,發起聲討沙俄罪行大會,會後起草《京師大學堂師範、仕學兩館學生上管學大臣請代奏拒俄書》。當晚,部分學生退學參加了抗俄義勇軍。
光緒三十四年(1908年)六月,京師大學堂又增設滿蒙文學,七月,附設博物品實習科。次年,建立京師大學堂圖書館,清政府將熱河文津閣的四庫全書撥給京師大學堂圖書館。宣統二年(1910年)改設分科為經、法、文、格致、農、工、商七科。民國一年(1912年)五月三日,袁世凱批準京師大學堂改名為北京大學。