大婚之后，光绪帝名义上接管了国家大权，但实际上，遇到真正的大事情，还是得向慈禧太后请示，并没有多少决定权。不过这些都无法抑制少年皇帝参政的热情。他求知若渴，迫切地想要了解外面的世界。光绪十六年(1890)，驻美公使张荫桓回国了，光绪帝迫不及待地召见了他，向他询问国外的情况。后来，他又通过阅读黄遵宪的《日本国志》了解了东洋的情况。日本的明治维新给他留下了深刻的印象，使他萌发了变法强国的志向。
1894年甲午中日海战爆发之后，光绪帝毅然站在了主战派一边，他迫切地希望建功立业，希望看到国家在自己的手中变得强大。但是，当时的军费都被慈禧太后挪用去修颐和园了，而且军中主帅李鸿章也对光绪帝的旨意漫不经心。最终，甲午中日战争以中国惨败告终，光绪帝不得已签下丧权辱国的《马关条约》。在批准条约时，他用朱笔写下了一段话，要求全军上下戮力一心，痛除积弊，兴革自强，可见他振兴国家的决心。
随着民族危机的进一步加重，康有为、梁启超为首的一些有志之士挺身而出，力图挽狂澜于既倒，重整天朝雄威。他们在光绪二十一年(1895)四月二十二日联合十八省举人公车上书，提出拒和、迁都、练兵、变法要求。
公车上书一举激发了光绪帝的爱国热情，他更加坚定了变法的决心，准备启用康、梁等维新派人士，效仿日本的维新变法，富国强兵。但是，他也明白慈禧太后依然没有放松对他的控制，但他决定将一切置之度外，拼死一搏，挽救民族危亡，也向世人表明，自己并不是一个任人摆布的木偶。
二十四年(戊戌年，1898)四月十三日，御史杨深秀奏请定国事。二十三日，在取得慈禧太后同意后，光绪帝颁布“明定国事诏”，在政治、经济、军事、文教诸方面实行变法，旨在挽救中国危亡。他对维新派主要人物作了恰当的人事安排，允许康有为专折奏事，并任命他在总理衙门章京上行走，以让他们便于上奏，提出变法方案。在短短的一百零三天里，光绪帝颁布了一百多条新政上谕。
但最终这些法令在执行的时候受到了重重阻碍，尤其是受到了以慈禧太后为首的顽固势力的抵抗，很难落实下去。慈禧太后并没有将光绪帝的变法放在眼里，在她看来，这就如同小孩子过家家一般。一旦光绪帝的旨令真正威胁到她的利益时，她立刻露出本性，发出懿旨迫使光绪帝将变法的中坚人物翁同革职查办了。
但光绪帝也不甘示弱，将守旧的怀塔布、许应揆等六名礼部堂官革职了，重新换上了七名新堂官，其中有四名都是维新派人士。这一来彻底激怒了慈禧太后，她偷偷叫来荣禄，准备血腥镇压维新变法，并企图借天津阅兵之际，胁迫光绪帝退位。
听到了密报之后，光绪帝在七月三十日密诏杨锐，告诉他当前的危险，让他和林旭、刘光第、谭嗣同等速议对策。谭嗣同本来寄希望于天津训练新军的袁世凯，企图通过他除掉荣禄，营救光绪帝。没想到，袁世凯口头上答应，暗地里却密报了荣禄。
八月六日，震惊中外的戊戌政变发生，光绪帝被囚于瀛台，慈禧太后第三次训政。康有为、梁启超逃往国外，张荫桓戍边，徐致靖永禁，杨深秀、杨锐、林旭、刘光第、谭嗣同、康广仁(康有为之弟)被处斩，世称“戊戌六君子”。
一场轰轰烈烈的维新运动就这样惨淡地落下了帷幕，那些颁布的新举措，除京师大学堂外，全部废除，戊戌变法最终失败。不过，作为中国历史上第一次资产阶级改良运动，这场运动虽然因条件不成熟而失败，却不失为一次伟大的尝试。
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