“親政”後光緒帝仍未擺脫慈禧太後的控製，遇到大事光緒仍要向慈禧太後請示，沒有多少決定權。
他以迫切心情了解世界情況。十六年，駐美公使張蔭桓自美歸國。他急切召見他，詢問國外情況。後來他又索取駐日公使參讚黃遵憲的《日本國誌》，日本明治維新在他心中留下了很深的印象。光緒帝還讀了馮桂芬《教邠廬抗議》，萌發改變中國積貧積弱狀況之誌。
甲午戰爭中，光緒帝主戰。二十年（1894），朝鮮東學黨起義，日本借口保護僑民，增兵朝鮮，蓄意挑起中日戰爭。光緒帝認為：“倭人肇釁，挾製朝鮮，倘致勢難收束，中朝自應大張撻伐。”七月二十四日，他又諭示李鴻章不要貽誤軍機。他直接命令朝鮮牙山南路葉誌超與進入朝鮮北部的清軍夾擊侵朝日軍。他多次下令加兵籌餉，停止慈禧太後挪用海軍軍費修建頤和園。李鴻章沒有聽取光緒帝的諭旨，結果“初敗於牙山，繼敗於平壤。日本乘勢內侵，連陷九連、鳳凰諸城。大連、旅順相繼失守。複據威海衛、劉公島。奪我兵艦，海軍覆喪殆盡。於是議者交咎鴻章，褫其職。以王文韶代督直隸，命鴻章往日本議和”。當不得已批準《馬關條約》時，他以朱筆寫下一段話，要求全軍上下戮力一心，痛除積弊，興革自強，表明他振興國家的決心。甲午戰爭失敗決不是主戰的罪過，是戰之不力的罪過，是光緒負不了責的腐敗的清朝封建統治造成的。甲午戰爭失敗後，光緒帝考慮的是如何振興國家，雪此大恥。
《馬關條約》簽訂後，中國民族危機加劇。康有為、梁啟超於二十一年四月二十二日聯合18省舉人公車上書，提出拒和、遷都、練兵、變法要求。第2年，俄國攫取東北路權，占領旅大，英租威海衛，法取廣州灣，舉國震驚。在列強瓜分中國的危機中，康有為再次上書，要求變法。民族危機激發了光緒帝的愛國熱情，公車上書啟發了他變法的決心。他清楚地知道慈禧太後雖然已經撤簾，但是仍然緊緊的控製著他。“上事太後謹，朝廷大政，必請命乃行。”頑固的慈禧太後不會讓他變法的，但是他決心已定，為了國家的振興，他把個人的利益和榮辱置之度外，說：“太後若不給我事權，我願退讓此位，不甘做亡國之君。”他用手中的權力極力支持康有為。戊戌年二十四年（1898）四月十三日，禦史楊深秀奏請定國事，二十三日，在取得慈禧太後同意後，光緒帝頒布“明定國事詔”，在政治、經濟、軍事、文教諸方麵實行變法，旨在挽救中國危亡。他對維新派主要人物作了恰當的人事安排，允許康有為專折奏事，並任命他在總理衙門章京上行走，以讓他們便於上奏，提出變法方案。在短短的103天裏，光緒帝頒布了100多條新政上諭。光緒帝發布禦令，企圖形成自上而下的全國改良性運動，但遇到大多數地方頑固勢力尤其是慈禧太後的阻撓和破壞。兩江總督劉坤一、兩廣總督譚鍾麟根本不理睬禦令籌辦之事，電旨催問，也置若罔聞。 慈禧太後起初表示同意變法，但她害怕變法會侵害她的權力，於是想方設法控製變法。她發出懿旨，迫使光緒帝將變法中堅人物翁同龢革去其協辦大學士、戶部尚書職務，同時任命後黨重要人物榮祿為直隸總督，掌握兵權，又規定新任職的兩品以上的文武官員向她謝恩。
後來光緒帝革去了守舊、阻撓上書的懷塔布、許應揆等6名禮部堂官，任命了7名新堂官，其中4名是支持維新的，這一行為觸怒了慈禧。七月二十日，光緒帝又任命維新派重要人物江蘇候補知府譚嗣同、刑部候補主事劉光第、內閣候補侍讀楊銳、內閣候補中書林旭擔任四品銜章京，處理新政事宜。後來維新派又企圖聘請當時已經下野的日本前首相伊藤博文擔任顧問，在慈禧幹涉下未能實現。與此同時又有眾多利益受到侵犯的頑固勢力聚集到慈禧身邊，請求她出麵製止變法。於是慈禧太後決意破壞變法，發動政變。她叫榮祿調兵遣將，聶士成部駐天津陳家溝，董福祥部駐北京長辛店。翰林院編修李盛鐸奏請光緒帝奉慈禧太後去天津閱兵，以乘機脅迫光緒帝讓位。七月三十日，光緒帝密詔楊銳，告以危局，命與林旭、劉光弟、譚嗣同等速議對策。鑒於光緒帝處境危險，譚嗣同於八月三日夜訪在天津訓練新軍的袁世凱，要求他舉兵殺榮祿，圍頤和園以救光緒帝。袁世凱慨然應允，但當晚就密報榮祿。不知情的光緒帝於八月五日還召見袁世凱，袁世凱建議他召張之洞襄助。八月四日，康有為訪英國傳教士李提摩太，請英國公使相助，未應允。
八月六日，政變發生。光緒帝被囚於瀛台，慈禧太後第三次訓政。康有為、梁啟超逃往國外，張蔭桓戍邊，徐致靖永禁，楊深秀、楊銳、林旭、劉光第、譚嗣同、康廣仁（康有為之弟）處斬。維新舉措，除京師大學堂外，全部廢除，戊戌變法失敗。慈禧太後立端郡王載漪之子溥儁為“大阿哥”，以取代光緒。由於得不到列強支持，企圖失敗。
光緒帝支持康有為、梁啟超等人實行的戊戌變法，是中國曆史上第一次資產階級改良運動，目的正確，時間不長，雖敗猶榮。