處於國防崩潰、民不聊生、社怨沸騰的內外壓力下，“西狩”西安的慈禧不得不采取一些改革措施：改革教育製度、停科舉和廢八股；以日本為楷模，鼓勵留學；從留學生中考選進士、舉人和政府官員。詹天佑、嚴複、辜鴻銘（1857─1928，生於馬來西亞，自幼留學英、法、德等國）等1910年成為第一批留學生進士。采納並轉發張之洞1898年寫的《勸學篇》：“至遊學之國，西洋不如東洋。一路近省費，可多遣；一去華近，易考察；一東文近於中文，易通曉；西書甚繁，不切要害，東人已刪而酌改之。中東情勢風俗相近，易仿行，事半功倍，無過於此。若自欲求精求備，再越西洋，有何不可？”1903年清廷采納張之洞奉詔擬定的《獎勵遊學畢業生章程》並公布實施。官費、公費、自費留日運動形成高潮，每年赴日青年多達萬人。20世紀初10年中留日學生總數至少有5萬人。1905年孫中山在東京成立“同盟會”，主要領導人和地方分會主盟人（孫中山、胡漢民、黃興、鄧家彥、汪精衛、宋教仁、秋瑾、蔡元培、廖仲愷、徐鍚麟、吳玉章等）都是留日學者，兩年內即有960多位學生加盟。發起留日潮的人始料不到的是，他們回國後成了辛亥革命推翻封建王朝的先鋒隊和中堅力量。在清末民主革命的進程中，歸國留日學生們起到了關鍵作用。
第四代是庚款留美生。1907年被傳教士明恩溥說服了的美國總統羅斯福提議將美國分到的庚子賠款2444萬美元（按每兩關銀折合0.742美元計）中的超過實際消耗部分減退1078萬美元，用於中國辦高等教育和招尋中國學生留美。次年參眾兩院批準總統提議，規定此款應由美國人掌握。此後，英、日、法等國都效法美國，退回部分庚款，用於興辦中國高等教育。1911年中國為選拔和預培留美學生，建立清華學校。從1909至1929年清華學校派送留美預備部畢業學生967人；1929至1937年經四次招考，共派送104人；1938─1945年招考兩次，共錄取39人。總計由清華選派庚款留美學生1971人。按規定應有80%學理工科，文科占20%。
與此同時，有大量“自助學者”赴美求學，故從1909至1945年留美學生總數遠大於“庚款”學生數，達到三四千人。葉企孫（物理）、吳有訓（物理）、胡剛複（物理）、趙忠堯（物理）、胡明複（數學）、施汝為（物理）、秉誌（生物）、梅貽琦（電機）、何傑（地質）、周仁（冶金）、高士其（生物）、周培源（物理）、竺可楨（地理、氣象）、侯德榜（化學）、張鈺哲（航空）、顧毓琇（電機）、楊石先（化學）、錢學森（航空）、錢偉長（力學）、梁思成（建築）、張光鬥（水利）等等都是各屆庚款留美學生。這是開拓中國現代科技事業的一代，很多人成了學科奠基人和學術棟梁，為中國基礎科學和技術科學的建立奠定了基礎，培養了人才。
第五代是留法學生。從1915年開始，中國知識界的李石曾（1881─1973，1902年留法）、蔡元培（1868─1940，1907年留德）、吳稚暉（1865─1953，1901年留日）、汪精衛（1883─1944，1903年留日）等人激奮於振興中國的科學技術，鼓勵青年向西方學習，提倡“勤以做工，儉以求學”，發起成立“留法勤工儉學會”，在裏昂、北京等地設立分會，招尋自願赴法求學的青年。在河北高陽縣辦“留法工藝學校”，為貧寒子弟留法做準備。李石曾還組建“法華教育會”，與法社會各界建立聯係，為留法創造半工半讀條件。到1916年已接待100多人，至1920年赴法求學人數已達1600人，逐步形成全國性潮流，延續了二十多年，為以後中國的政治、科技、文化、藝術各項事業的發展做出了重大貢獻，培養了大批棟梁之才。周恩來、鄧小平、陳毅、聶榮臻、李立三、蔡和森、蔡暢、李富春等都是1920年左右赴法勤工儉學的。嚴濟慈、童第周、徐悲鴻、錢三強、肖三、冼星海等著名科學家、藝術家、音樂家都隨此潮在法國學習和工作過。
第六代是20年代留蘇學生。俄國十月革命勝利兩年後，於1919年3月成立了第三（共產）國際，1920年5月決定建立莫斯科東方大學（全稱為莫斯科東方勞動者共產主義大學），招生對象是蘇聯遠東各少數民族和亞洲各國的革命青年。瞿秋白、劉少奇、任弼時、羅亦農、肖勁光、王一飛、柯慶施、彭述之等首批去東方大學學習。1925年孫中山逝世後，東方大學中國部改名為孫逸仙大學，又叫中山大學。時值第一次國共合作，由國民黨中央政治委員會選送一批人去中山大學。張聞天、葉劍英、王稼祥、秦邦憲、羅亦農、許光達、楊尚昆、伍修權、烏蘭夫、廖承誌、劉伯堅、譚平山、蔣經國、屈武、穀正綱等都在東方大學或中山大學學習過。1923年以後，朱德、鄧小平、趙世炎、王若飛、陳延年、聶榮臻、李富春等從西歐轉到莫斯科東方大學。1926年中山大學在校生340人，1927年達到800人。到中山大學1930年關閉止，留學生總數當在千人以上。另外，1922年聯共（布）遠東局在滿洲裏開設政治學校，畢業後分送蘇各大學續讀，共接收中國學生310人（廣州180，上海、北平、天津共100，湖南、雲南、黃埔軍校各10人）。