1883年，譚嗣同跟隨父親赴蘭州任所。在西北邊寨廣袤的原野上和層巒疊嶂的山峰中，他盡情地躍馬馳騁。壯麗的河山開闊了他的胸懷，更激起了他對祖國錦繡山河的熱愛。各地的風土人情和人民的疾苦使他加深了對社會的了解和認識。第二年，法國軍隊侵犯滇閩，中法戰爭爆發，清政府在戰場和外交上首鼠兩端。對此，譚嗣同不能理解，感到十分困惑。為了探索一條改變中國現狀，而能與西方資本主義國家並駕齊驅的途徑，他開始漫遊各地，結交同誌，訪求民情。在長達十年的漫長旅途中，他的足跡遍及直隸、江蘇、浙江、安徽、河南、湖北、湖南、台灣等省，耳聞目睹了民不聊生，路有餓殍的慘景。因而，譚嗣同發出了“風景不殊，山河頓異；城部猶是，人民複非”的哀歎。
1894年7月，中日甲午戰爭爆發。但是，清政府一意妥協投降，致使中國軍隊遭到慘敗。聽到這一噩耗，譚嗣同奮筆寫了憤怒的詩篇：世間無物抵春愁，合向卷冥一哭休；四萬萬人齊下淚，天涯何處是神州。這首詩的大意是：人們說“春愁最愁人”，可是當前的民族危機，就是最大的春愁。它給我增加了無限的痛苦，這痛苦折磨著我，我應該向著蒼天，痛哭一場，一泄我久積在胸中的憤懣。這不隻是我一人這樣，民族危亡，使四萬萬中國人都一齊流下悲痛的淚水，我遙望天邊，痛苦地思索：理想的中國在哪裏呀？
1895年3月，中日《馬關條約》簽訂，中國被迫賠償軍費2億兩白銀，將台灣、遼東半島、澎湖列島及附屬島嶼割讓給日本。消息傳到國內，舉國哀痛。從愛國士紳到普通民眾都切齒扼腕，痛恨賣國賊把民族國家的利益視同兒戲，一些在北京的台灣省籍人不禁失聲痛哭。時在瀏陽的譚嗣同，吃不下飯，睡不著覺，一人獨自在房內彷徨，痛定思痛。
當時，正值全國各地的舉人在北京參加進士考試。廣東舉人康有為邀集應試的1300名舉人，聯名上書皇帝，提出“拒和”、“遷都”、“變法”的主張。因舉人進京考試乘坐公家提供的車馬，所以稱這次上書為“公車上書”。雖然，都察院以《馬關條約》已簽為由，拒絕接受“公車上書”，但上書被廣泛傳抄和刊印，從此揭開了資產階級維新變法運動的序幕。這時遠在湖南的譚嗣同，雖然還沒有機會與康有為會麵，然而他的思想卻與康有為等人的思想在很多方麵不謀而合。在艱難的探索中，譚嗣同形成了自己改造中國的思想體係，找出了一條挽救民族危亡的道路。針對朝廷內外死抱“祖宗之法不能變”的頑固勢力對維新事業的扼殺，譚嗣同在致朋友的一封信中明確地指出：“當今清政府所實行的不但不是儒家學說所倡導的治國之策，實際上卻是暴虐的秦朝所實行、並導致中國兩千多年社會動蕩不安、黑暗腐朽統治的製度和法律法令。實行這樣的製度和法律法令還不如沒有製度和法律法令，既然如此，還說這樣的製度和法律法令不應該變嗎？即使是在今天全部地采用周公所製訂的盡善盡美的製度和法律法令，也不會有任何實效，因為時勢已經不同了。”“在今天，借鑒外國的製度和法律法令，而彌補中國所無，這是中國挽救民族危亡的必由之路，是大勢所趨。”
譚嗣同批評一些官僚隻從外國引進機器技術不過是揀了芝麻而丟了西瓜，而學習西方的根本則是學習他們卓有成效的製度和法律法令。接著，他提出了係統的改革方案：改變官吏和民眾的衣冠式樣，遷都中原，皇帝除舊布新、開辟新的局麵，改革水路糧運，開發水利，廢除科舉製度。創辦各類學校，興辦鐵路、礦業，改用鈔票等。為了使改革方案得到順利實施，他提出了保障改革成功的四項措施：籌集變法經費，創造變法的條件，樹立變法的權威，招攬變法人才。
譚嗣同變法思想的核心是以西方資本主義國家的政治製度為模式，改造中國的封建專製製度，這一具有劃時代意義的進步思想不僅揭示了時代發展的方向，預示著中國封建專製製度將麵臨著前所未有的危機，而且標誌著譚嗣同開始了一個嶄新的奮鬥曆程。
湖南新政振興工商
1896年春，譚嗣同隨父親北上到達北京，而後又到天津考察工業設施的發展狀況，但此行卻令他看到了許多民生淒慘的場麵，從此他萌生了發展工商業的念頭。去天津考察不久，譚嗣同的父親為他捐官（用交納捐款的辦法取得官職），為候補知府，分司浙江。在臨上任前，他拜訪了光緒皇帝的教師翁同龢。翁同龢在日記中寫道：譚嗣同“通曉洋務”。6月底，譚嗣同到達南京任所。他到任後，目睹了官場的黑暗和官吏的貪婪，他特立獨行，不與貪官汙吏同流合汙。譚嗣同雖身居南京，但振興祖國工商業的抱負使他時刻關懷著湖南的興衰，並與湖南的朋友頻繁聯係，商討興革大事。
剛剛就職的湖南巡撫（省級地方政府長官）陳寶箴，受到譚嗣同愛國思想的感染，接受了譚嗣同實業救國的方案。於1895年11月，奏請清政府設立湖南礦務總局。不久，為了商談創辦礦業的具體辦法，譚嗣同離開南京，赴湖南麵見陳寶箴。恰巧這時歐陽中鵠也來到長沙，做陳寶箴的幕僚（官府中輔佐行政的人），他對辦礦有一定經驗，譚嗣同萬分喜悅，立即和他的老師進行商量。他們打算先從開采煤礦入手，運進機器，物色礦師，以期事半功倍。師生二人，情投意合，談得十分熱烈，一直到深夜，才把開礦事宜設計得滴水不漏，非常周詳。