1897年，德國強佔膠州灣，康有為又向光緒帝上書，痛陳變法的重要。光緒帝深受震動，表示「不甘作亡國之君」，並且下令要康有為等籌劃變法。
1898年6月11日，光緒帝頒布《定國是詔》詔書，實行變法。1898年是舊曆戊戌年，史稱這次變法為「戊戌變法」。光緒帝在頤和園勤政殿召見康有為，詢問變法事宜，並任命他在總理衙門章京上行走。光緒帝還讓維新派的譚嗣同、楊銳、劉光第、林旭等人參預變法。
從6月11日到9月21日，光緒帝先後頒布了一系列變法法令，主要內容有：經濟方面，中央設立礦務鐵路局，農工商總局，各省設立商務局，保護和獎勵農、工、商業的發展；興辦商會、農會、民間團體；改革財政，編制預算決算。政治方面，允許官民上書言事；改定律例，裁撤冗員，澄清吏治。文化方面，普遍設立中小學校，在北京設立京師大學堂；設立譯書局，翻譯外國書籍；準許創立報館、學會；改革科舉制度，廢除八股，獎勵科學著作和發明，等等。
戊戌變法是在保護清王朝統治的前提下，採取自上而下的方式進行的改革。但是，即使這樣，光緒帝和維新派對政治、經濟、文化的一系列改革，仍然觸犯了以那拉氏為首的頑固派的利益，遭到他們的極力反對。
光緒帝頒布變法詔書後的第四天，那拉氏強迫光緒帝下令，將贊助變法的光緒帝的老師、戶部尚書翁同毹免職。同一天，她又強迫光緒帝任命其親信榮祿為直隸總督，統率北洋軍隊，控制北京和天津。 ．
1898年9月中旬，頑固派已經準備發動政變了。在此危急關頭，光緒帝密詔康有為、譚嗣同籌劃對策。譚嗣同密訪榮祿的部下袁世凱，勸他保護光緒皇帝。袁世凱表面答應，暗中向榮祿告密。9月21日，那拉氏和榮祿發動政變，囚禁了光緒帝，那拉氏宣布「親政」，下令搜捕維新派，廢除變法法令。史稱戊戌政變。康有為、梁啓超逃到國外，譚嗣同、劉光第、林旭、楊銳、楊深秀、康廣仁被殺。這就是歷史上的「戊戌六君子」。戊戌變法失敗了。
戊戌變法從開始到失敗，經過103天，因此又稱「百日維新」。
戊戌變法失敗的主要原因是：光緒帝沒有實權，變法沒有群眾基礎；資產階級力量弱小，康有為、梁啓超等雖極力鼓吹，但他們地位低下，不能左右大局；變法推行操之過急，缺乏通盤計劃；以慈禧為首的守舊派力量強大。
戊戌變法雖然失敗了，但它在中國近代史上產生的影響是十分深遠的。首先，變法法令的頒布，有利於中國資本主義的發展，有利於學習西方科學技術，因此，戊戌變法受到民族資產階級和開明地主的擁護，也得到一部分愛國人士的支持；其次，維新派希望通過變法改變現狀，挽救民族危機，發展資本主義，這是愛國的和進步的行動；再次，他們宣傳西方資產階級的社會學說，反對君主專制的封建統治，在社會上起了思想啟蒙的作用，為資產階級思想的傳播奠定了基礎，激發了人們走上資產階級革命的道路。