十九世纪六十年代以后，两方列强的侵入而带来的东西文化的碰撞日益激烈，传统封建教育的弊端也越发显露。不少有识之土纷纷提出改革教育的主张。同治元年（1862 年），贡生黎庶昌请开绝学之科，同治九年（1870年）闽浙总督英柱等奏开算学科，光绪元年（1875 年）李鸿章建议科考加试自然、算义，光绪十年（1884 年）潘衍桐奏请开艺学科，包括制造、算学、舆图等。六、七十年代，京、津、沪等地陆续出现各种新式学堂。但此时的张之洞思想还囿于守旧的“清流”轨道，他先后于湖北办经心书院，四川办尊经书院，山西办令德书院，其宗旨仍不脱传统陈规。八十年代以后，随着他由清流党向洋务派的迅速转变，他在兴实业，练新军的过程中，时时感到通晓时务人才的极度缺乏，进而得出“中国不贫于财而贫于人才，不弱于兵而弱于志气”，“人才之贫由于见闻不广，学业不实”的结论，萌发了改革传统教育的想法。督粤期间，他已将这一想法付诸实施，创办了广东水陆师学堂，移督湖广以后，更是大举进行。十余年间，在湖北地区创立了比较完整的、成龙配套的近代教育体系。
张之洞督鄂期间兴办教育事业，可分为三个阶段：
1.光绪十六年至二十二年（1890—1896 年）为“书院时期”，主要针对当时空疏虚妄的学风，改造经心书院，创办两湖书院，同时也兴建一批新式学堂，提倡分门研究，尚实尚精。
2.光绪二十三年至二十六年（1897—1900 年）为“书院改章时期”，中西学并重，在上述书院原有的经学、史学、文学之外，又加入舆地、算学、格致、体操等新科目，同时又兴建了一批专业学堂，聘请外国人任教习。
3.光绪二十八年（1902 年）以后为“新学制时期”，兴办了一系列近代学校，包括普通教育、军事教育、师范教育、实业教育等门类，同时鼓励私立学堂的开设。其办学方针废除自由研究，改为计日功课，舍空泛的理论，而为有系统有阶段之学习。
张之洞在鄂创设新式教育，大要有如下数端：
（一）书院的兴办及改制书院为我国封建时代的重要办学形式，始于唐而大兴于宋。一般由宿学名儒主持，选山林名胜之地为院址，以儒学经籍为主要研习内容，采用个别钻研，相互问答，集体讲解相结合的教学方法。正值清朝学制由“书院式”向”学堂式”过渡之际，之洞创设的教育设施，也是先书院，后学堂。
1.经心书院
同治八年（1869 年），张之洞任湖北学政时创办，院址在武昌三道街文昌阁，后迁至星火堂右。学习科目为经解、史论、词赋。该书院以后多次扩建，更名为经心精舍。光绪二十四年（1898 年），张之洞令书院仿行学校办法，分设外文、天文、格致、制造四门，分年轮习。另设经史一门，讲授《四书》义理及中国历史。经心书院至此已演变为新式学堂。
2.两湖书院
光绪十六年（1890 年）四月，张之洞于武昌营坊口都司湖畔创建两湖书院。经费主要出自湘、鄂两省茶商捐赀，故名“两湖书院”，专取两湖士子入学肄业，每省员额两百名，另为报答茶商资助，专录商籍学生四十人。书院分经学、史学、理学、文学、算学、经济学六门，又开设天文、地理、测量、化学、兵法等新科目。开办之初，每月考试一次，称“月课”。光绪二十二年（1896 年）以后，改行“日课”，即按日上课听讲，类似新式学堂的班级授课制。光绪末年，两湖书院改为文高等学堂。两湖书院师资力量雄厚，著名史学家沈曾植（1850—1920）、历史地理学家杨守敬（1839—1915）、地理学家邹代钧（1854—1908）、数学家华衡芳（1833—1902）都曾在此执教。
3.江汉书院
由明代提学葛寅亮创办，院址在武昌文昌门内。清代又多次扩建。书院以中学为主。张之洞任湖广总督时，于该院原设天文、地理、兵法、算学四门外，又添经史一门。
（二）各类新学堂的创建清末新式学堂的建立，以同治元年（1862 年）京师同文馆为其肇始。洋务运动中，京、津、沪、宁、闽等地陆续开办了少量培养军事、洋务人才的学堂。但是，无论从新式学堂的数量、规模，还是从专业门类的配套，各级教育的衔接体制等方面衡量，张之洞在湖北的教育兴革，都堪称后来居上，领先全国。
1.实业学堂。张之洞在兴办洋务过程中，深感实业、外语人才的缺乏。“不讲农工商之学，则中国地虽广、民虽众，终无解于土满人满之讥矣”。九十年代以后，他于实业教育方面注力尤多。
〈1〉湖北自强学堂光绪十九年（1893 年）十一月，之洞请立自强学堂。他奏称学堂宗旨：
“洋务日繁，动关大局，造就人才，似不可缓。亟应及时创设学堂，先选两湖人士，肄业其中，讲求时务，融贯中西，研精器数，以期教育成材，上备国家任使。”
学堂设于武昌城内铁政局旁，初设方言、格致、算学、商务四门，每门计划招收二十人。光绪二十二年以后，将算学门移人两湖书院，格致、商务两门因无合适教材而停开。仅留方言一门。开课语种为英、法、德、俄四科，后又增设日语。每科学额三十名。录取条件是“以华文为根底，以圣道为准绳。”入学后饭食、学习用品均由学堂供给，为促其专心致学，不准兼习时文试帖。五年毕业后，必须以所学外语才能为国效力。如借端“改习卑下之业，甚或不自爱惜，受洋行雇充翻译”，必须缴还所有学习费用。光绪二十七年以后，自强学堂改为文普通学堂。
〈2〉湖北方言学堂光绪二十四年（1898 年）五月，又设立以培养外交人才为目标的方言学堂。学生来源，先于自强学堂内选拔其品端文优者，后招取普通中学毕业生。学习历史、地理、公法、交涉等课程，分习英、法、德、俄、日语。学制五年。方言学堂后发展成国立武昌高等师范学校、国立武昌大学，是今天著名学府武汉大学的前身。
〈3〉湖北算学学堂光绪十七年（1891 年）八月，张之洞于铁政局附近设算学学堂，附列方言、商务两门。如学生愿兼习化学、矿学，可就近往铁政局见习。
〈4〉湖北农务学堂光绪二十四年（1898 年）四月，张之洞以“农务尤为中国之根本”，奏请开办农务学堂，招募美国教习，“招集绅商士人有志讲求农学者入堂学习，研求种植畜牧之学。”学堂先设于武昌大东门，后迁至武胜门外多宝庵，以与试验农场相邻。学堂分农桑、畜牧、森林等科，学额一百二十人，招收普通中学堂及高等小学堂毕业生。学制四年。
〈5〉湖北工艺学堂开设农务学堂的同时，又设工艺学堂于江汉书院旧址。募日本教习分授理化、机器等学。“招集绅商士人有志讲求商学者人堂学习，并派中国通晓化学制造之士人邦同教导艺徒，讲求制造各事宜。”学额六十名，附艺徒三十名，分理化、机器、制造、纺织、建筑各门。学制与农务学堂同。
此外，还开设了矿业学堂、工业学堂、方言商务学堂、驻东铁路学堂、军医学堂等，培养各种专业人才。
2.普通学堂
二十世纪初年开始，张之洞兴学的重心转移至普通教育。在他的倡导下，湖北地区形成了初等、中等、高等学堂成龙配套的普通教育体系，开全国风气之先。〈1〉初等小学堂 之洞认为“初等小学为养正始基”。他于武昌城内分东西南北四区，设初等小学四十二所，城外设十七所。经费由学务公所支拨。另外，还大力鼓励民间自办小学教育。〈2〉高等小学堂 光绪三十年（1904 年），张之洞于武昌城内分东、西、南、北、中五路，设高等小学堂五所。各定额一百名。招十一至十四岁文理粗通少年入学，科目为修身、读经、中文、算术、历史、地理、图画、体操等，四年毕业。〈3〉 文普通中学堂光绪二十九年（1903 年），张之洞以原自强学堂为基础，开办丈普通中学堂，学额二百四十名。学生年龄十五至二十四岁。开设沦理、温经、中文、外语、教学、博物、理化、法制、历史、地理等十二门课目。四年毕业。〈4〉 文高等学堂又名两湖大学堂，光绪二十九年（1903 年）就两湖书院改建，以培养术德兼优的”通才”为目标。学额一百二十名。初以两湖、经心、江汉三书院优等主入学。后招收文普通中学堂毕业生。设学科八门，其中中西公共学四门，即经学、中外史学、中外地理学、算术，延聘本国教习讲授。西学四门，即理化学、法律学、财政学、军事学，延聘东西洋各国教习讲授。学生入学后，先补习普通中学课程一年，再习专门之学三年，然后派往东西洋游历一年，以广见闻。
3.师范学堂
随着各类新式学堂的开办，师资问题日显突出。张之洞“查各国中小学教员咸取材于师范学堂，故认师范学堂为教师造端之地，关系至重。”他陆续开办了一批师范学堂。
〈1〉湖北师范学堂 光绪二十八年（1902 年），张之洞于武昌宾阳门南开办湖北师范学堂，课程除普通中学堂所开设的诸门以外，另开师范专业必修的教育学、教授法、学校管理法等。学额一百二十名。学制两到三年。为应付师资急需，又设速成科，一年毕业。学堂以廪生陈毅、举人胡钧（1869—1944）为堂长，又聘日本师范教员一人为总教习。这是我国近代教育史上最早的独立完备的师范学校。
〈2〉两湖总师范学堂 光绪三十年（1904 年），张之洞拨出库平银四万三千两巨资，将两湖文高等学堂（两湖书院旧址）改为两湖总师范学堂，又设初等、高等小学堂各一附属于内，作为学生实习之处。学校规模宏大，设仁、义、礼、智、信五斋，计划招生一千二百名，号“千师范”，学制五年。实际招收七百多名。我国著名地质学家李四光（1889—1971）即为该学堂毕业生。
〈3〉湖北师范传习所 实为简历师范，这是我国教师进修学校的开端，光绪三十年（1904）开办，所学课程有教育学、教学法、学校管理等。
〈4〉支郡师范学堂 在张之洞的倡导下，湖北各属纷纷办起新式中、小学堂。不久，之洞发现，由于合格师资力量不足，小学教育质量不高，“其实府中学堂此时安有许多合格学生，此正如无根之条终归于萎，虽长奚为，无址之墉，立见其倾，虽高安用，徒张虚名，不求实济，始基一坏，补救无从”，于是令各府将所设中学堂一律暂改为初级师范学堂，或先办速成师范，或先办师范讲习所。光绪三十一年（1905 年），又于省城开设六所支郡师范学堂，分府录取，为各地培养合格师资。另外，张之洞还于光绪三十年（1904 年）创办湖北敬节学堂，培养幼儿教师。创办湖北育要学堂，培养婴儿保育员。
（三）大量派遣游学生
中国学生出洋游学，始于十九世纪七十年代。同治十一年至光绪元年（1872—1875 年），容闳主持，选派十至十六岁儿童一百二十人，分四批赴美游学。其后，又陆续有不少青少年学生负籍欧美、日本。张之洞督鄂期间，亦十分热衷于派遣学生出国游学。他认为“出洋一年，胜于读西书五年，此赵营平百闻不如一见之说也。人外国学堂一年，胜于中国学堂三年，此孟子置之庄岳之说也。”
另外，他还以出洋游学为加速培养合格新式教员的捷径：
“学堂固宜速设矣，然而非多设不足以济用，须多设，则有二难：经费钜一也；教习求师之难，尤甚于筹费。天下州县，皆立学堂，数必逾万，无论大学小学，断无许多之师，是则惟须外国游学之一法。”
在游学方向上，之洞认为，“西洋不如东洋”。一则日本路近费省，二则易于考察控制，三则相对于欧美语言，日文更便于中国学生掌握，四则日人已对西学作了选择介绍，便于学习。光绪二十二年（1896 年），他派出湖北第一名公费留日学生戢翼翚（1878—1908）。以后又陆续派出大批学生赴日学习实业、师范、法律、警察、军事。“据光绪三十三年的统计，留日学生全国各省共计 5400 多名，湖北所派学生即有 1360 余名，占了四分之一，所以湖北在当时有先进省之称”。