У 1864 р. було проведено реформу освіти. Згідно з нею всі типи початкових шкіл оголошувалися загальноосвітніми й діставали назву початкових народних училищ.

Середніми освітніми закладами були гімназії, які мали два ступеня: гімназія і прогімназія (з 4-річним навчанням). Гімназії були двох типів: класичні і реальні. В класичних перевага надавалась вивченню давніх мов (до 40% часу), їх випускники могли без іспитів вступати до університетів.

Реальні гімназії (згодом реальні училища) були більш наближеними до потреб життя. Тут вивчали природознавство, фізику, математику. Їх випускники могли вступати лише до вищих технічних навчальних закладів.

Дівчата навчалися окремо в інститутах шляхетних дівчат (у Харкові відкритий у 1812 р., організував і очолив цей заклад український письменник і громадський діяч Г. Квітка-Основ’яненко), гімназіях та парафіяльних училищах (для дівчат духовного звання).

Центрами науки були університети. Всебічно обдарованим і феноменально працездатним був перший ректор Київського університету М. Максимович (1804-1873). Він написав понад 100 праць з історії, ботаніки, зоології, фізики, хімії.

У розвиток філософської та філологічної наук суттєвий внесок зробив перший ректор Харківського університету І. Римський.Засновником вітчизняного слов’янознавства був професор Харківського університету І. Срезневський. У 1813-1820 рр. ректором Харківського університету був Т. Осиповський, який написав тритомну працю «Курс математики», що тривалий час була основним підручником для студентів усієї імперії.

Друга половина ХІХ ст., з якою пов'язаний початок Новітнього часу в усій Європі, ознаменувалася значними досягненнями в різних галузях науки. 17 років кафедру механіки Харківського університету очолював О. Ляпунов (1857-1918), який створив загальну теорію сталості руху, написав ряд робіт з теорії імовірності. Засновником сучасної фізичної хімії Харківського університету був М. Бекетов (1827-1911). На 20 років раніше ніж за кордоном він почав читати у Харкові курс фізичної хімії. Його роботи стали основою нової наукової галузі – металотермії. Видатним західноукраїнським вченим був фізик-експериментатор І. Пулюй, який зробив низку винаходів і відкриттів, серед яких найзначнішими для світової цивілізації було відкриття випромінення, що називаємо його тепер рентгенівським за іменем німецького дослідника Рентгена, оскільки І. Пулюй не поспішив запатентувати свій винахід. Феноменальним явищем для історії точних наук є творчість однієї з перших жінок-математиків Софії Ковалевської (1850-1891).

Родина Ковалевських взагалі виявилася багатою на науковців. Євграф Ковалевський (1790-1867) займався розвідкою покладів вугілля у майбутньому Донбасі, а дослужившись до посади міністра освіти не тільки дбав про заснування народних шкіл, а й дав особистий дозвіл на друк 1840 р. «Кобзаря» Т. Шевченка. Ігор Ковалевський (1811-1868) на запрошення єгипетського віце-короля провів геологічні розслідування у Північній Африці, подав детальний опис Ефіопії (1849) та значно збагатив знання європейців про Монголію. Олександр Ковалевський (1840-1901), професор зоології кількох європейських університетів, промощував шляхи для розвитку ембріології та порівняльної фізіології. Його брат – чоловік Софії – Володимир Ковалевський (1843-1883) став визначним палеонтологом зі світовим ім’ям. Ще один всесвітньовідомий представник цього роду – Максим Ковалевський (1851-1916) – став одним з перших соціологів, а також автором праць з юриспруденції та історії державних устроїв.

Не менш представницькою була династія вчених, переважно юристів та фізико-хіміків, з роду чернігівських селян Кістяківських (Олександр, Володимир, Богдан, Юрій, Ігор).

Суттєвий внесок у розвиток біологічної науки зробили праці І. Мечникова (1845-1916). У 1864 р. він закінчив фізико-математичний факультет Харківського університету. Працюючи професором в Новоросійському університеті в Одесі, він створив першу в Російській імперії і другу у світі бактеріологічну станцію, став одним з основоположників мікробіології і вчення про імунітет. У 70-ті р. ХІХ ст. професором фізіології Новоросійського університету працював І. Сєченов (1829-1905), який став засновником вітчизняної фізіологічної школи.

У царині гуманітарних наук йшла досить гостра ідеологічна боротьба. У філософії – між ідеалістами, які домінували в університетах, і матеріалістами; в політекономії – між дворянсько-буржуазними вченими і ліберальними народниками, а згодом до них приєдналися ще й марксисти. Русифікаторська, колонізаторська політика російського царизму (Валуєвський циркуляр 1863 р. та Емський акт Олександра ІІ 1867 р., згідно з якими заборонялося друкувати та завозити з-за кордону літературу українською мовою), значно ускладнила розвиток філологічних наук. Видатні праці з історії української мови, літератури та фольклору написав П. Житецький (1837-1911), зокрема «Очерк звуковой истории малорусского наречия», та ін. Видатним мовознавцем світового рівня і щирим патріотом України був професор Харківського університету О. Потебня (1835-1891).

Зачну роль у розвитку національної свідомості українського народу відіграло культурно-освітнє товариство «Просвіта», засноване у 1868 р. у Львові. Товариство видавало твори видатних українських письменників, шкільні підручники, популярні брошури, газети, літературно-наукові альманахи, організовувалися серйозні наукові конференції, створювалися народні читальні, тощо.

У 1892 р. у Львові було створено Наукове товариство імені Шевченка (НТШ). Товариство мало за мету згуртувати наукові сили всіх українських земель. Згодом воно почало відігравати роль Української Академії наук. Товариство мало три секції: філологічну, історико-філософську і математично-природничо-лікарську, при яких діяли три організаційні комісії: друкарняна, книгарняна та бібліотечна. Істерико-філософську секцію з 1894 р. очолював видатний український історик М. Грушевський (1868-1934).

На межі ХІХ - ХХ ст. в Україні означилися кількісно-якісні зміни. Культурне життя в кожну епоху складається під впливом певних історичних, суспільних та політичних умов. У цей період у всіх галузях культури проступають ознаки пошуків нових шляхів, панує відчуття наростаючих принципових змін.

На початку ХХ ст. у зв’язку зі зростанням потреб в письменних працівниках та кваліфікованих фахівцях, що диктувалося вимогами розвитку індустріального суспільства, дещо збільшилася мережа навчальних закладів та кількість учнів і студентів у них. У 27 вузах навчалося 35,2 тис. студентів, у 26 тис. загальноосвітніх шкіл – 2,6 млн. учнів. Найгіршим було становище з освітою на Правобережжі, де земства – основні промоутери народної освіти з’явилися лише у 1911 р.

В період революції 1905 р. після скасування заборони українського слова, українські студенти почали компанію за впровадження в університетах українознавчих дисциплін. В Харківському та Одеському університетах почали читатися курси української мови та історії. Але в період післяреволюційної реакції ці курси було закрито.

На початку ХХ ст. на території Харківської губернії нараховувалося разом з приватними 2085 різних початкових шкіл. Але 85% з них були однокласними. До 1915 р. в Харківській губернії було 12 чоловічих і 14 жіночих гімназій, 2 прогімназії, 7 реальних училищ, 4 духовних, 2 комерційних і художнє, а також один кадетський корпус та інститут шляхетних дівчат.

Значно кращою для українства була ситуація в освітній сфері в західній Україні. Початок ХХ ст. характеризувався помітним поступом у всіх галузях культурного життя. Число українських шкіл збільшилося: у 1914 р. було вже 6 державних та 15 приватних гімназій і 3000 народних шкіл. Українці мали 7 кафедр та доцентури у Львівському, та 3 кафедри в Чернівецькому університетах.

На Буковині перед 1914 р. українці мали дві україно-німецькі та дві українські гімназії і одну учительську семінарію. Українських народних шкіл напередодні війни в Галичині налічувалося 2510, Буковині – 216, на Закарпатті з наявних 282 українських шкіл не залишилося жодної.

Продовжувався розвиток науки. У Харківському, а потім у Київському університетах плідно працював математик Д.О. Граве (1863-1939), який став засновником Київської алгебраїчної школи. Загальне визнання дістали праці та діяльність видатних вчених в галузі медицини – хірурга М.П. Трінклера (1859-1925), офтальмолога Л.Л. Гіршмана (1839-1921).

В 1908 р. в Одесі було створено перший в Російській імперії аероклуб. Льотчик П.М. Нестеров у 1913 р. першим продемонстрував у небі над Києвом «мертву петлю».