大婚之後，光緒帝名義上接管了國家大權，但實際上，遇到真正的大事情，還是得向慈禧太后請示，並沒有多少決定權。不過這些都無法抑制少年皇帝參政的熱情。他求知若渴，迫切地想要了解外面的世界。光緒十六年(1890)，駐美公使張蔭桓回國了，光緒帝迫不及待地召見了他，向他詢問國外的情況。後來，他又通過閱讀黃遵憲的《日本國誌》瞭解了東洋的情況。日本的明治維新給他留下了深刻的印象，使他萌發了變法強國的志向。
1894年甲午中日海戰爆發之後，光緒帝毅然站在了主戰派一邊，他迫切地希望建功立業，希望看到國家在自己的手中變得強大。但是，當時的軍費都被慈禧太后挪用去修頤和園了，而且軍中主帥李鴻章也對光緒帝的旨意漫不經心。最終，甲午中日戰爭以中國慘敗告終，光緒帝不得已簽下喪權辱國的《馬關條約》。在批准條約時，他用硃筆寫下了一段話，要求全軍上下戮力一心，痛除積弊，興革自強，可見他振興國家的決心。
隨着民族危機的進一步加重，康有爲、梁啓超爲首的一些有志之士挺身而出，力圖挽狂瀾於既倒，重整天朝雄威。他們在光緒二十一年(1895)四月二十二日聯合十八省舉人公車上書，提出拒和、遷都、練兵、變法要求。
公車上書一舉激發了光緒帝的愛國熱情，他更加堅定了變法的決心，準備啓用康、樑等維新派人士，效仿日本的維新變法，富國強兵。但是，他也明白慈禧太后依然沒有放鬆對他的控制，但他決定將一切置之度外，拼死一搏，挽救民族危亡，也向世人表明，自己並不是一個任人擺佈的木偶。
二十四年(戊戌年，1898)四月十三日，御史楊深秀奏請定國事。二十三日，在取得慈禧太后同意後，光緒帝頒佈“明定國事詔”，在政治、經濟、軍事、文教諸方面實行變法，旨在挽救中國危亡。他對維新派主要人物作了恰當的人事安排，允許康有爲專摺奏事，並任命他在總理衙門章京上行走，以讓他們便於上奏，提出變法方案。在短短的一百零三天裏，光緒帝頒佈了一百多條新政上諭。
但最終這些法令在執行的時候受到了重重阻礙，尤其是受到了以慈禧太后爲首的頑固勢力的抵抗，很難落實下去。慈禧太后並沒有將光緒帝的變法放在眼裏，在她看來，這就如同小孩子過家家一般。一旦光緒帝的旨令真正威脅到她的利益時，她立刻露出本性，發出懿旨迫使光緒帝將變法的中堅人物翁同革職查辦了。
但光緒帝也不甘示弱，將守舊的懷塔布、許應揆等六名禮部堂官革職了，重新換上了七名新堂官，其中有四名都是維新派人士。這一來徹底激怒了慈禧太后，她偷偷叫來榮祿，準備血腥鎮壓維新變法，並企圖借天津閱兵之際，脅迫光緒帝退位。
聽到了密報之後，光緒帝在七月三十日密詔楊銳，告訴他當前的危險，讓他和林旭、劉光第、譚嗣同等速議對策。譚嗣同本來寄希望於天津訓練新軍的袁世凱，企圖通過他除掉榮祿，營救光緒帝。沒想到，袁世凱口頭上答應，暗地裏卻密報了榮祿。
八月六日，震驚中外的戊戌政變發生，光緒帝被囚於瀛臺，慈禧太后第三次訓政。康有爲、梁啓超逃往國外，張蔭桓戍邊，徐致靖永禁，楊深秀、楊銳、林旭、劉光第、譚嗣同、康廣仁(康有爲之弟)被處斬，世稱“戊戌六君子”。
一場轟轟烈烈的維新運動就這樣慘淡地落下了帷幕，那些頒佈的新舉措，除京師大學堂外，全部廢除，戊戌變法最終失敗。不過，作爲中國歷史上第一次資產階級改良運動，這場運動雖然因條件不成熟而失敗，卻不失爲一次偉大的嘗試。
