晚清教育，由于教学内容基本上都是“四书五经”，教育方法是死记硬背，教育目标是考取功名。所以，清廷官吏“不学兵旅而掌兵，不懂会计而掌财，见洋人栗栗变色”⑽很多有识之士相继提出了尖锐批评，并建议与时俱进，创建新型的与世界接轨的教育体系。

作为科举骄子，又多次担任乡试主考、会试总裁，孙家鼐不仅洞察“国学”教育的弊端，而且，对于洋务运动的教育模式也有足够清醒的认识，并旗帜鲜明地提出了批评。光绪二十二年七月（1896年8月），他在《议复开办京师大学堂折》中指出：“独是中国京师建立学堂，为各国通商以来仅有之创举，苟仅援前此官学义学之例，师徒授受以经义帖括，猎取科名，亦复何裨大局？即如总署、同文馆、各省广方言馆之式，斤斤于文字语言，充其量不过得数十翻译人才而止。福建之船政学堂、江南制造局学堂及南北洋水师武备各学堂，皆囿于一才一艺……此中国旧设之学堂，不能仿照办理也。”

1898年7月3日，孙家鼐出任管学大臣，肩负变法急先锋的重任，“是时管学大臣之权限，不专管理京师大学堂，并节制各省所设之学堂。实以大学校长兼全国教育部长之职权。”作为大学校长，他要创办中国第一所国立综合性大学：京师大学堂；作为首任教育部长，他还要管理各地新式学堂，构建新的教育体系。于是，孙家鼐“每日会集办事各员，公同核议，虽不在学堂办事之人，亦多方咨访，广集众思。总期受以虚心，任以实心，持以公心，矢以诚心，博取众长，折衷一是”。他顺应时代潮流，在汲取各方面智慧的基础上，对中国陈旧的国学教育体制进行大刀阔斧式的改革，推进了中国教育的近代化，促进了中国教育与世界教育的全面接轨。

同年8月4日，孙家鼐在《议覆五城建立小学堂疏》中说：“近年刑部候补主事张元济、户部候补郎中王宗基皆自行筹费创立学堂，肄业者颇称踊跃。……至顺天府地方，臣原有设立小学堂之意……”光绪当即下谕：“京师现已设立大学堂，其京外学堂亦应及时创立，俾京外举贡生监等一体入学，广为造就，以备升入大学堂之选。”

六月二十二日（8月9日），孙家鼐在《奏覆筹办大学堂情形折》中建议：“进士、举人出身之京官，拟立仕学院也。……其入学者，专为习西学而来，宜听其习西学之专门。”教习对于仕学生采用的“互相讨论，坐而论道”，其设置规格、教学方法，有些类似于现在的研究生教育。

七月初五日（8月21日），他上了《奏覆须多设中小学堂折》：“开办大学堂，必须多办中学堂、小学堂，以便取材。”“皇上垂意大学堂，将以造就通达时务之才，而大学堂肄业必由中学小学以次而升。”所以，他建议多设中小学堂，以便于为大学提供充足、高质量的学苗。

八月初四日（9月19日），孙家鼐连上数奏，即请奖杨锐等设立蜀学堂折，与顺天府尹胡燏棻联名请在顺天设立中学堂折，请皇上饬令内务府将地安门外兵将局抄产官房拨款给顺天府设立中学堂，并准予在顺天府属各州县选拔学生就学，以“广育人才”。

十一月二十七日（1899年1月8日），他根据《京师大学堂章程》第二节规定“各省学堂皆归大学堂统辖”，咨行各省送交学堂章程等文中称：“……现在京师大学堂业已开办。各省会暨外府州县，所有已设之学堂，均须将学堂章程、教习姓名、学生额数咨送本大学堂，以便核考……”⑾

光绪二十九年十一月（1904年1月），清廷新设学部，主管全国的教育，孙家鼐奉命任首位学务大臣，成为名副其实的教育部长。“当时学部没有设立直省，各种学风庞杂，自从孙家鼐管理学部后，裁度章规章，折衷中外，严定宗旨，一以敦行实学为主，海内学风，为之一靖。”⑿

由此可见，孙家鼐为创建新型的小学、中学、大学乃至研究生院（时称仕学院）教育体系，培养复合型人才，做出了开拓性贡献。