1902年1月10日，清政府下令恢複京師大學堂，並派吏部尚書張百熙為管學大臣。張百熙（1847—1907），字冶秋，湖南長沙人，早年曾任光緒帝的侍讀。甲午戰爭時，他疏劾過李鴻章“陽作戰備，陰實主和”。戊戌政變時，以“濫舉康有為”，受革職留任處分。他是清政府中比較開明的官吏，曾主張變法自強，在知識分子中頗有影響。他是一位有作為的管學大臣，辦學認真。這一年十二月十七日，京師大學堂重新開學，先辦速成科的仕學館和師範館。1903年起，又設進士館，供新科進士入館學習。由張百熙主持擬定並經清廷批準頒行的《欽定京師大學堂章程》，包括了從小學到大學的各級學堂規則，是我國第一部完整的學製成文法規。其中關於京師大學堂的章程分八章八十四節，對大學堂的辦學綱領、科目設置、課程安排、招生辦法、畢業分配、教師聘用、領導體製和教學紀律等都有詳細的規定。章程規定：“京師大學堂之設，所以激發忠愛，開通智慧，振興實業”及“端正趨向，造就通才，為全學之綱領。”大學堂分設大學預備科、大學專門分科和大學院三級。大學院相當於後來的研究生院。大學專門分科規定設立政治、文學、格致（理科）、農業、工藝、商務、醫術等七科（相當於學院），科以下共設三十五目（相當於學係或專業）：
（一）政治科，下設政治學、法律學二目；
（二）文學科，下設經學、史學、理學、諸子學、掌故學、詞章學、外國語言文字學七目；
（三）格致科，下設天文學、地質學、高等算學、化學、物理學、動植物學六目；
（四）農業科，下設農藝學、農業化學、林學、獸藝學四目；
（五）工藝科，下設土木工學、造船學、造兵器學、電器工學、建築學、應用化學、采礦冶金學八目；
（六）商務科，下設簿記學、產業製造學、商業語言學、商法學、商業史學、商業地理學六目；
（七）醫術科，下設醫學、藥學二目。
章程還規定大學堂專門分科學製三至四年，畢業後可升入大學院深造，並給予進士出身。此外，大學堂另設仕學、師範二館為速成科。學製三至四年。凡京官五品以下八品以上，以及外官候補暨因事留京者，道員以下，教職以上，皆準應考入仕學館；舉、貢、生、監等皆準應考入師範館。速成科畢業後可擔任初級官吏或學堂教習。
1902年10月和11月，京師大學堂先後兩次舉行入學考試，首先招收速成科學生。仕學館考生由各衙門推薦，考試科目有史論、輿地策、政治策、交涉策、算學策、物理策和外國文七門；師範館考生由各省選送，考試科目有修身倫理大義、教育學大義、中外史學、中外地理學、算學比例開方代數、物理化學，淺近英文、日文八門。入學考試結果，仕學、師範兩館共招新生一百八十二名。這一年12月17日，京師大學堂正式開學。新中國成立之前，12月17日這一天，成了北京大學的校慶日。
京師大學堂這時除開設仕學館、師範館以及附設的中小學外，同文館也並入大學堂。1903年5月，大學堂將同文館改辦譯學館，分設英、俄、法、德、日五國語言文字專科，學製五年，並於同年8月正式招生開學。譯學館還設文典處，從事翻譯並計劃編纂上述五國文字的字典。1906年秋，蔡元培為赴德留學在北京等候派遣時，曾被譯學館館長章鋟聘為教習，講習國文及西洋史。
張百熙為辦好京師大學堂，十分注意延攬人才，如當時的知名學者吳汝綸、張筱浦、李希聖、於晦若、屠寄、辜鴻銘、範源濂、王舟瑤等都先後擔任過大學堂的總教席或教席。嚴複也應邀出任京師大學堂的譯書局總辦。這時大學堂設立了藏書樓，除從原國子監調撥部分圖書外，還從歐美日本各國購置各種圖書，同時管學大臣還谘文各省官書局，要求將已刻的經史子集及時務新書，每種提取數部送京師大學堂。藏書樓於1902年創立時，有各類圖書七萬八千五百冊，後時有充實，頗為豐富。經過張百熙的苦心經營，京師大學堂已略具規模了。但在當時黑暗的政治下，張百熙認真辦學卻遭時忌，特別是他引進和重用開明之士，更引起頑固勢力的反對，因而時遭掣肘，終不能施展他的抱負。
1903年6月，清政府修訂學堂章程，其目的是使大學堂更緊密地為鞏固封建統治服務。修改後的大學堂章程，在大學分科中增設了經學科，下分周易、尚書、毛詩、春秋左傳、春秋三傳、周禮、儀禮、禮記、論語、孟子、理學等十一門，明顯地突出了經學的地位。1904年，清廷下令專設總理學務大臣，統轄全國學務。另設京師大學堂總監督，專管大學堂事務。委派張亨嘉為京師大學堂總監督。這一年正式招收預備科第一班學生。到1909年，預科首批一百三十二名學生畢業。1910年3月30日，分科大學才舉行開學典禮，除醫科未按時開辦外，其他七科均正式開學。實際共開設七科十三門。學生共四百多人。在這之前，預備科改名為高等學堂，仍為大學堂之預科。分科大學開辦後不久，1911年10月，爆發了武昌起義。這時清王朝已岌岌可危，京師大學堂也難以為繼，年底清廷遂下令暫時停辦。因京師大學堂恢複的那一年——1902年，幹支紀年為“壬寅”，所以後來人們把1902年至1911年的京師大學堂，稱為“壬寅大學”。
京師大學堂雖然距離近代大學的要求還很遠，但在當時的中國，它畢竟彙集了一批人才和圖書典籍，進行過一些近代科學文化的教育，可以說是初具規模。在學生中也不乏認真求學之土。如陳漢章是清末的一位名舉人，原被大學堂聘為教席，時已是四五十歲的中年人，而他到校後看到藏書樓（設在原公主府梳妝樓上）裏藏書豐富，且因傳聞大學堂畢業後可任翰林，遂決定不就教席而當學生。他經過六年的勤奮學習，於民國二年以甲等第一名畢業，雖然翰林沒有當成，後來成為有名的國學家。但從總的方麵看，當時的學生多出身於貴族官吏豪富門第，入學堂是為找“恩師”靠山，謀求升官發財之道。進士館裏幾乎每個學生都有一個聽差，上課鈴響了，由聽差來請老爺上課。據說當時上體育課時，教員喊口令也是畢恭畢敬地喊：“老爺，向右轉！老爺，向左轉！”1907年（清光緒三十三年），優級師範科一百零四名學生畢業，他們是京師大學堂的第一期畢業生。當時畢業生的成績，分最優等、優等、中等和下等四種。最優等和優等者授予師範科舉人學位，並分等授以官職。最優等者授以五品銜以內閣中書盡先即補，優等者隻給以內閣中書科中書即補。雖授有官職，但因為是師範畢業，要先盡滿五年的教席義務，然後才能去候補；至於何時能補上，則又要輪班次，找門路，對多數人則常常是遙遙無期的。即使這樣，這已是學生們夢寐以求的了。難怪當時有個學生為早逝的同學寫的挽聯中，有“未博得五年義務，七品虛銜”的歎喟，為死者未獲得功名而抱恨。這種封建科舉時代的惡劣風氣，影響了初期的北京大學。
辛亥革命後，1912年2月，嚴複被任命為京師大學堂總監督，接辦大學堂事務。其時，蔡元培主持教育部。他十分重視大學教育。政府北遷後，他即派專門教育司第一科科長王雲五、第三科科長楊煥之會同接收京師大學堂。5月，他向總統提出為北京大學堂改稱並推薦嚴複任校長的呈文：