光緒二十六年（1900年），天津遭八國聯軍鐵蹄踐踏。範孫挺身而出，盡力維持地方治安，同時想方設法，興辦地方教育機構。翌年9月，以個人財力設義塾一處，並聯合王竹林、林墨青等友人等集資，假燈髀公所設兩齋塾學。為借鑒“教育救國”經驗，又兩次去日本考察。
11月27日，嚴範孫從日本回到天津，以更大的熱情和精力，興辦新式教育。在原設兩齋塾學基礎上有所拓展，更名為“民立第一小學堂”。此為天津創辦正式小學之始。光緒二十九年（1903年），範孫又籌設民立第二小學堂，並主持創辦官立小學堂三處。為提高小學教師素質，另設立師範講習所和教師研究所。是年秋，範孫舉薦李琴湘、陳棱莊、劉芸生、胡玉孫、鄭菊如、劉寶慈等人入日本東京弘文學院師範等科深造。一年後回國於各學堂任教。
範孫還是女子教育的積極倡導者。光緒二十九年（1903年）冬，他創辦嚴氏女塾，先以其女兒、兒媳及四姓近親好友之女為學生。除國文等課程外，還聘請日本女教師教授日文、唱歌、手工、織布。女塾的創辦，開天津風氣之先，被《大公報》稱為“女學振興之起點”。光緒三十一年（1905年）2、3月間，範孫改嚴氏女塾為嚴氏女子學堂，成為一所正規的私立女子小學。10月，又在女子學堂附近設保姆講習所和蒙養院（幼兒園）。保姆講習所，即幼兒師範，是國內最早培養幼兒師資的園地。以家宅為基地，創辦小學、女學、中學、幼兒師範等不同層次、不同類別的學校，體現了嚴範孫倡導新教育的膽識與魄力，為中國近代教育史所少見，對天津近代學校的興起，有著重要開創意義。他提倡女子放足，禁止給女孩紮耳朵眼，反對納妾蓄婢，對賭博、吸毒深惡痛絕，帶頭廢除婚喪陋習，為婦女解放事業貢獻尤多。
範孫十分注重師資力量之培養。範孫於光緒三十一年（1905年）改天津校士館（民間稱考棚，為科舉製童試之地。筆者注）為天津初級師範學堂，學堂設完全科、本科、簡易科等三科，為天津、河間兩府培養小學堂師資力量。同時，還籌設北洋師範學堂，專門招收直隸、山東、山西、河南以及東北地區學子，為中學堂和初級師範培養師資力量。年底，又選派部分天津教員出洋考察。同年，開始籌設北洋女子師範，次年正式成立。主要為初等和高等小學堂培養女教員。
由於範孫在教育界影響日隆，口碑甚佳，清廷決定予以任用。光緒三十年（1904年）4月，他主持直隸學校司，負責全省教育工作。上任幾天，他又去日本再作深入考察，主要考察師範教育和小學教育。6月中旬至下旬，重點考察師範及小學的教育管理和教材建設。同年八月，嚴範孫回到天津。在嚴館和王益孫家館的基礎上，積極籌設成立中等學校，他多次與張伯苓等人討論學校章程。不久即成立私立中學堂，後改名私立敬業中學堂，這就是著名的南開中學前身。當時校址仍在嚴宅，每月經費紋銀200兩，由嚴、王兩家平均負擔。張伯苓任監督（校長）。高等師範班最初有學生6人，教師三四人。第二年春，師範班又增招4人。經兩年學習。高等師範班於1906年畢業，畢業生有陶盂和、時子周、孟琴襄、嚴約敏等10人，這是嚴範孫以個人財力倡辦師範的嚐試，也是天津最早的師範教育。
光緒三十一年（1905年）2月，直隸學校司更名學務處，並由保定移到天津分科辦事。嚴範孫往來於天津、北京、保定等地。為推進全省教育，他首創勸學所，設立於直隸各州縣，作為地方教育行政機構，采用日本地方教育行政及行政管理辦法，訂立章程，管理各地教育。在教材建設上，他最重視教科書的編寫。創辦了《學務報》，並選派合適人員編輯中小學教科書，又編纂《國民必瀆》、《民教相安》兩書，印行10萬冊，以為啟蒙讀物。1906年上半年，直隸各學堂學生已達86652人。其中優級師範學堂1所，初級師範學堂及傳習所89所，女子師範學堂1所。