孫詒讓從光緒二十二年（189）起，先在瑞安一縣辦教育，創建了一所專攻數學的算學書院（後改名學計館），以造就科學技術人才。其手訂意程、學規，對德育智育的培養和書院的管理，都提出了嚴格的要求。
之後，他又創辦了方言館和瑞平化學學堂各一所，專攻外語和化學，還在郡城創辦一所蠶學館，以事改良蠶桑。經過五年的辦學實踐，到了光緒二十七年（1901），又將學計館和方言館合並擴充為瑞安普通學堂，分設中文、西文、算學三個專修班，對十五歲以上三十歲以下的學子實施中等教育。為使教育普及，並在瑞城各隅辦起四所蒙學堂，以為幼童就學之所。
後又辦德象、毅武、宣文三所女學，使中產人家深在閨門的女子也有了接受教育的機會。在培養師資造就專門人才方麵，他曾給資派送瑞安曾通學堂高材生陳愷、許藩二人留學日本習數理化，並邀集高材生家長，建議令子弟赴日留學。一年中瑞安東渡留學者達二十餘人，在浙江教育史上，開留學國外的風氣之先。
光緒三十一年（1905）八月，清政府決定廢科舉，設學校。孫詒讓受溫處兩府人士的推戴，於當年十月就任溫處學務分處總理。他的教育事業遂由瑞安一縣，推廣而至於浙南地區。在學務分處總理任內，孫詒讓首先整頓了溫州府中學堂。並深刻地認識到欲求教育普及，必須培養師資；培養師資，專賴師範教育。於次年夏六月，決定在溫處兩府各辦師範學堂一所。溫校擇址道司前原校士館。
孫詒讓為解決建築資金及建校後的常年經費，他力排頑固勢力的幹擾，支撐於官紳之間。曆時三年，心力交瘁，終於以三萬六千元的巨資，於光緒三十四年（1908）建成溫州師範學堂，計校舍樓房十三楹，平房十二楹，當年招生二百四十名入學。
在這之前，為造就小學師資以應急需，曾假溫州府中學堂次第舉辦理化、博物、體育、音樂等科傳習所，半年速成畢業；同時並於每年暑假集中各科小學教師，舉辦短期講習會，以提高在職教師的素質，使新教育事業逐步走上正軌。
孫詒讓任職期間，共籌集教育基金五十多萬元，在溫處兩府十六縣創辦了各類各級學校三百餘所。其篳路藍縷開辟山林之功，為朝野所共仰，嗣受委為學部二等諮議官，浙江學務議紳。
光緒三十三年十一月，複被全省學界推舉為教育總會會長。（會長蔡元培久未任職。孫以副會長攝會長職務）。這時，他環顧國內教育情況，結合自己十餘年的辦學經驗。複上陳《學務平議》、《學務枝議》於學部，對全國教育大計，提出建議。其所陳都是切中時弊的精辟見解。其講求事功，實事求是的作風，除學術論著外，率於教育事業上見之，實為新教育事業的先行者和開拓者。
光緒三十四年五月二十二日（1908年6月20日），以病卒於家，終年六十一歲。
孫詒讓在經學、諸子學、文字學、考據學、校勘學、以及地方獻的整理等方麵都有卓越的成就。章太炎讚譽他為“三百年絕等雙”。郭沫若說他是“啟後承前一巨儒”。他又是近代新教育的開創者之一，在理論和實踐上成就卓著，是清末著名的教育家。
孫詒讓在經子訓詁方麵成就顯著，孫詒讓的代表作是《周禮正義》和《墨子間詁》。《周禮》亦名《周官》，分《天官塚宰》《地官司徒》《春官宗伯》《夏官司馬》《秋官司寇》《冬官司空》六篇，是記錄中國古代官製的書。
孫詒讓認為《周禮》是周公致太平之書，先王政教所自出，周代法製之總萃。而秦漢以來，諸儒不能融會貫通，鄭玄注失之簡奧，賈逵疏過於疏略，遂於1873年開始撰述，至1899年方才完成《周禮正義》八十六卷。前後費時二十六年，孫詒讓的《周禮正義》一書，集前人研究《周禮》之大成，廣泛而詳細地征引各種文獻。已為《周禮》的可信性提供了強有力的證據，章太炎讚許為“古今之言《周禮》者莫能先也。”梁啟超對此書也推崇備至，說“這部書可算清代經學家最後的一部書，也是最好的一部書”。