Важную роль в становлении системы народного образования сыграли реформы в области начальной и средней школы. Через народные училища, земские школы, гимназии и другие учебные заведения за 30 пореформенных лет прошло несколько сотен тысяч учеников (в предреформенное десятилетие грамотность в России составляла примерно 5–6 %, во второй половине 1890-х гг. — 18–21 %).
Большое значение в деле распространения образования имела деятельность демократически настроенных педагогов, среди которых особое место принадлежит К. Д. Ушинскому. Перу Ушинского принадлежали лучшие школьные учебники в России, выдержавшие десятки изданий. В 1860-е гг. получили заметное распространение воскресные школы для взрослых, открывались женские средние учебные заведения.
Наибольший вклад в высшее образование в России внесли университеты. Всего к началу 1860-х гг. университеты имели С.-Петербург, Москва, Дерпт, Вильно, Харьков, Киев, Казань. Позднее были открыты университеты в Одессе, Варшаве и Томске. Росла численность высших технических учебных заведений. До реформы их было всего семь (пять в столице и два в Москве), к концу века их численность приблизилась к 60. Появилось в стране и высшее женское образование: открылись Высшие женские медицинские курсы в С.-Петербурге, Высшие курсы профессора В. И. Герье в Москве и др. Важную роль в развитии женского образования сыграли «Бестужевские» курсы в столице (по имени профессора К. Н. Бестужева-Рюмина), основанные по инициативе группы прогрессивно настроенной интеллигенции во главе с профессором А. Н. Бекетовым.
Во второй половине XIX в. русская наука добилась замечательных успехов. Крупными научными центрами являлись Академия наук, университеты, многочисленные научные общества (Русское географическое общество, Русское химическое, Русское астрономическое, Русское техническое и др.). Заметным явлением в научной жизни становятся съезды специалистов (естествоиспытателей, медицинские «Пироговские» и др.). К концу века в империи выходило около 500 специальных и научных изданий (к началу 1850-х гг. их было около 60).
1860–1870-е гг. принято называть «золотым веком» русской химии. Выдающийся вклад в мировую науку внесли А. М. Бутлеров (работы в области изучения химического состава и строения органических тел), Д. И. Менделеев (открытие периодического закона химических элементов, работы в самых различных областях знания).
Европейской известностью пользовались русские математики: П. Л. Чебышев, заложивший начало петербургской математической школы, А. М. Ляпунов, АА. Марков, С. В. Ковалевская.
В области физики успешно работали А. Г. Столетов (изучение фотоэлектрических явлений), П. Н. Яблочков (изобретатель дуговой лампы, «свечи Яблочкова»), А. Н. Лодыгин (создание ламп накаливания), А. С. Попов (изобретение в 1895 г. радиоприемника). Заметным явлением в науке стали труды астронома ФА. Бредихина.
Крупный вклад в развитие биологии и физиологии внесли К. А. Тимирязев (проблемы фотосинтеза, агрономии), И. М. Сеченов (физиология и психология), И. И. Мечников (защитные свойства организма), к 1870-1880-м гг. относится начало деятельности известного русского физиолога И. П. Павлова.
Значительный вклад в мировую науку внесли русские географы и этнографы. Энциклопедическими знаниями в области географии, геологии, ботаники, статистики обладал П. П. Семенов, прославившийся изучением труднодоступных районов Тянь-Шаня. Районы Центральной Азии были изучены Н. М. Пржевальским. Много лет отдал исследованию Новой Гвинеи Н. Н. Миклухо-Маклай.
Крупных успехов добилась в эти годы русская техника. Успешно работал в области самолетостроения А. Ф. Можайский, исследованиями в области дирижаблестроения, аэродинамики, ракетных двигателей занимался К. Э. Циолковский. Европейскую известность получили работы Н. Н. Бернадоса и Н. С. Славянова (электросварка), М. О. Доливо-Добровольского (электродвигатели), Д. К. Чернова (металлургия), С. О. Макарова (кораблестроение) и многих других русских ученых.
Заметное развитие в 1860-1890-е гг. получили общественные науки. В работах А. И. Герцена, Н. Г. Чернышевского, Н. А. Добролюбова, Д. И. Писарева по философии, истории, политической экономии нашли свое развитие русские материалистические традиции. Позднее, в 1880-1890-е гг. начинается период распространения марксизма в России.
Развивалось и идеалистическое направление в отечественной философии, получившее новый импульс в трудах крупнейшего представителя русского религиозно-мистического идеализма B. C. Соловьева
Огромным вкладом в русскую историческую науку стал 29-томный труд С. М. Соловьева «История России с древнейших времен». В 1880-1890-е гг. в высших учебных заведениях читал свой «Курс русской истории» его ученик, выдающийся русский историк В. О. Ключевский.