1895年（光緒二十一年），中日甲午戰爭中清廷戰敗，這對嚴復刺激巨大。他先後在天津《直報》上發表數篇主張變法維新、武裝抗擊外來侵略的文章。這些文章中全面闡述了他的資產階級民主思想，並對君主專制理論做出了嚴厲的批判，同時也明確提出了以設置議會、提倡西學來挽救中國的激進口號。
嚴復提出了 “鼓民力”“開民智”“新民德”的維新主張，但並不是在空喊口號。在他看來變法的首要任務就是廢除八股、開辦新校。他盡數幾千年來八股為國人帶來的危害，還就西方列國重視教育的行為進行了詳細論述。在北洋水師學堂任職期間，嚴復不僅主張辦學，還曾親手幫助他人開辦學校。
1896年，在嚴復的協助下天津俄文館正式開辦，這是國內最早的俄語學校。同年，他還幫助張元濟在北京創辦了通藝學堂。結合自己的主張與經驗，嚴復對中國學校的建設提出了具體要求，依據當時資本主義國家的教育制度他建立了一套完整的教育體制：小學堂、中學堂和大學堂三階段的教育模式。
對於學習優異的聰明之士，嚴復還主張將其送去國外深造。此外，嚴復還對當時的婦女教育表示出足夠的重視。他讚賞並鼓勵開辦女校，主張女子應當和男子一樣，不僅要讀書，還要積極參加社會活動。嚴復認為女子讀書並參加社交，是中國婦女擺脫封建禮教束縛的良好開端，也是中國婦女自強的重要標誌。
也正是這一時期，嚴復開始了對《進化與倫理》的翻譯，並將其名定為《天演論》。1897年（光緒二十三年），嚴復與王修植、夏曾佑等人在天津聯合創辦了《國聞報》和《國聞彙編》。於宣佈維新變法思想的同時，嚴復還將自己的譯作《天演論》接連發表在了《國聞報》上，達爾文進化論也由此正式被引入中國。
《天演論》的出現在中國知識界中產生了巨大的轟動，其影響極為深遠。當時的有識之士，如吳汝綸、康有為、梁啟超等人交口稱讚，乃至以後的魯迅、胡適等人也是深受其影響。《天演論》一度成為改良政治的重要理論根據，其中的“物競天擇”、“適者生存”一句更成了當時社會上廣為流行的口頭禪。
1898年（光緒二十四年），正謀求變法的光緒帝召見了嚴復。嚴復向光緒詳細闡述了自己的變法主張，而後還撰寫了一份《上光緒皇帝萬言書》。然而轟轟烈烈的戊戌變法僅持續了103天便宣告失敗，以慈禧太后為首的守舊派悍然發動了舉國震驚的戊戌政變。戊戌六君子被殺、康梁等人出逃他國、光緒遭軟禁，守舊派再次掌權。
1900年（光緒二十六年），因受義和團運動的影響，嚴復離開天津去往上海避難。次年，他應邀赴天津在開平礦務局任職，後升任該局總辦。1902年，嚴復到北京擔任京師大學堂附設譯書局的總辦，但在兩年後就辭職回上海去了。1904年冬，開平礦務局就收回礦權在倫敦發起訴訟，嚴復被邀請前往英國進行交涉。
1905年，孫中山從美洲來到英國，並特意拜訪了尚在英國的嚴復。兩人展開了長時間的會見，期間各自暢談了自己的救國觀點及政治主張。同年，開平礦務局訴訟事件終了，嚴復得以回國。返回上海後，嚴復開始協助馬相伯創辦復旦公學。這是我國民辦高校中創立較早的幾所學校之一，也正是上海復旦大學的前身。
