清朝晚期，中国社会逐步陷入半殖民地半封建社会，清政府为了挽救败局而宣布实行教育“新政”。随着全国政治经济和社会性质的变革，兰州的文化教育事业也发生了剧烈变化。清政府“新政”的推行，在客观上为兰州的教育革新提供了法令、章程依据，伴随着科举取士制度的日益衰败，终于被彻底废弃；书院制度以及各种传统教育的基本模式，也逐步被新式学校教育所代替。新学制的推行和新学堂的兴办以及新知识、新观念的传播，都起了转换文化模式的作用，是兰州教育史上的一大进步。晚清的教育革新是清政府推行“新政”的主要内容之一。1901年，清政府在其推行新政的谕旨中，强调“为政之道，首在得人”，应速筹“求得人才之法”，并于是年谕令内阁大
臣和地方督抚，在京师开设“经济特科”以选拔新人才，在各省分设各级学堂。“命各省将所有书院，于省城改设大学堂，各府厅及直隶州改设中学堂，各州县改设小学堂，并多设蒙养学堂”。此后，又制定了兴办学堂的各种制度，提出了各种措施。于是“兴学育才”的主张成为清政府在推行“新政”时期制定各种教育政策的基本方针，这给全国的教育改革提供了有利条件。
这一时期，兰州的教育革新是在清政府废除科举考试制度的背景下展开的。封建陈腐的科举考试制度，是破格求才和兴办近代新式学堂的最大障碍，科举不废，新式学堂就没有发展的余地。对此，清政府自1901年起开始采取了逐步废弃的政策，至1906年，宣布所有乡会试一律停止，各省岁科考试亦即停止，从而使长期支配和影响学校教育的科举制度得以彻底解体，随后，各地的旧书院和旧儒学成为被取代、被改造的对象，这给近代学堂教育的发生发展开通了道路。与此同时，清政府颁布了一系列关于兴办新式学堂的章程，为各地创办新式学堂、发展学校教育搭起了基本框架和必须遵行的规章制度。自清政府有关兴学育才的各种法令颁布后，各地开始响应。1901年，著名维新教育家刘光蕡等人应邀到达兰州，筹设“甘肃大学堂”，成为甘肃最早的新式学堂。1905年，甘肃将省城兰州的兰山书院改设为“优级师范学堂”，接着创办了速成师范学堂和初级师范学堂，极力贯彻注重师范教育的方针。其他各类学堂亦蓬勃涌现，从而掀起了“兴学育才”的高潮。
作为省城的兰州，其各类新式学堂的兴办，是按照清政府的“新政”诏令，与全国各省同时起步的，从创办大学堂起，先后设立了高等学堂和专门学堂，以及中学堂、小学堂、蒙学堂等，数年间形成了等级类别较为齐全的各类学堂。由于符合时代要求，有统一的规章制度可循，又有旧书院作基础，因而各类教育在短时期内有了较快发展。
清末民初兰州的各类学堂主要有：甘肃文高等学堂。筹建于1902年，最初称为甘肃大学堂，后改名高等学堂、甘肃文高等学堂，1903年迁入通远门外畅家巷，同时派人前往京、津和东南各省调查办学情况，并在京师延聘俄文、日文、法文的各科教习。在校学生人数达到一百多名，学堂经费由藩库拨发，是当时经费比较充足的一所新学堂。文高等学堂的总负责人由杨增新担任，总教习为陕西维新学士刘光蕡，后由兰州人在籍翰林刘尔炘担任。按清政府《奏定学堂章程》中有关高等学堂的规定，文高等学堂的学制低于大学堂，高于中学堂，略同于专门学校。1907年至1908年，文高等学堂的学生分期毕业后，一部分服务于社会，其余分为四批，先后保送北京，经复试合格后，再入京师大学堂深造。此后本科再未招生。1911年，武昌起义爆发后，本科预科全部毕业，文高等学堂改为“全省中学堂”，民国建立后又改为甘肃省立第一中学校。文高等学堂的变迁史，则成为省内各专门学堂发生发展的缩影。
法政学堂。1909年，在原兰州府学吏局、法律馆、法政馆的基础上组建了甘肃法政学堂。当时分设官班和绅班两科，另设外班20人。学生年龄大小不限。所修课程均按学部所颁章程开设，主要有大清律例、大清宪法大纲、政治、历史、法学、国际法、监狱法、刑法、民事诉讼法等，所需经费由本省统捐局每年拨银12200两，为数不少。1913年，更名甘肃公立法政专门学校，移校址于西关举院内。两年后，经教育部酌定，分其学科为法政别科、法政讲习所、法律别科、法律本科、政治经济本科、经济本科。后来，改校更名为甘肃学院，增设教育、文史两系及医学专修科，这是抗战以前兰州唯一的高等院校。
武备学堂与陆军小学堂。武备学堂是1904年由杨增新创办的，地址在省城通远门外畅家巷。学生来源由各营军官中选送，必须经过严格的品格、体格检查，凡年龄、品格、出身、志趣、学业、身长、胸围、体重、肺量、手力、目力、五官等12项，都有具体标准，检查合格后方能入学肄业。所设课程有修身、伦理、国文、历史、地理、算术、外国语、医学、兵学、兵操、图画等11门。课程考试分为月考、假期考、年终考和毕业考四等，各项一并检算，以定优奖。办学宗旨是培育“运筹帷幄，制胜疆场”的陆军将才。但是，该学堂因条件不足，难以达到培养目标，只得于两年后改为陆军小学堂，专门培育下级军官。课程比原来减少4门，聘有教习20人，分设甲、乙、丙三班，每班定额100人。学生从各府州县的高等小学堂中考取，实际上属于中等专科学堂。改学堂连续招办5期，共毕业学生四百余人，至1913年停办。
高等巡警学堂。创办于1910年，是陕甘总督长庚为加强其常备军的辅助力量而设立的。校址在甘肃举院旧址，也属于中等实业学堂性质。附设有“警察传习所”，属短期训练班性质。学生两班，一为官班，由省署考收；一为绅班，由各府州县选送，均为简易科，学制一年。学生毕业后，大半分派为省府州县的巡警官。所设课程有法学通论、民刑法、民刑诉讼法、监狱学、警察学、违警律等，是当时专业性较强的一所新学堂。由于政治局势的变化，仅办两年，至民国元年停办。
仵作学堂。创办于1910年，校址在兰州庄严寺（今兰州晚报社），是当时的省属当局为了转变原有衙役、仵作在办案手段上与近代司法制度不相适应的局面，培训法医和检验人员的专门学堂。学堂建立后，决定由各州县选送一人入堂学习，但由于风气未开，观念陈旧，无人乐于入学，最后只得将仵作学堂的本科改为速成科，半年毕业，学院仅自省城一带就地招收，定额100人。所开设课程大都以清廷刑部新刊法学书籍为主要课本，兼习我国古代的《洗冤集录》等名著。该学堂一直延续到1923年，然后改设为检验传习所。除此之外，1911年春，总督升允仿效张之洞在湖北省设立的存古学堂的模式，利用初级师范的校址，创设了一所另立体制的存古学堂。存古学堂的宗旨是“保存国粹”。开始时由
原甘肃学政叶昌炽任经学总教，兰州道台王树枬任史学总教，继由文高等学堂总教习刘尔炘主讲经学，并任监督，主管校务。他们都是带有保守思想的头面人物。学堂先从各地的廪生、增生、附生****招收50人，组成“存古班”，专学经、史两科；继又接收了原初级师范学堂预科和简易科的毕业生七十余人，另外又附设了一个师范班。学生膏火银每月均为四两。但学制体系不甚一致，一开始就不是一所专业化的学堂，所设存古班也不符合规定。按清廷学部于宣统三年公布的《存古学堂章程》规定，存古学堂的创办目的是培养师范学堂和普通中学的经学、国文、中国历史的教习和经科、文科大学的预备生。其学制系统与一般学堂不同，设中等科和高等科两科，课程分经学、史学、词章三门。而兰州的存古学堂，只有几种经学科，别无其他设置，既不符合统一体系和办学目的，也不是专门培育当时新式学堂的急需人才，故为时不到一年，即宣告结束。
师范学堂是清末新学堂教育体系的重要构成部分。兰州最早设立的师范学堂应是1904年附设于文高等学堂的“师范馆”。但师范馆为时只有一年，而且仅开设人伦道德、经史、国文、算术、教育、体操等6门课，学制仅一年，不符合全国定制，是一种短期应急性的师资培训机构。当时共培养学生135人，修业期满后，绝大多数分配到高等小学堂任教。这虽然是兰州教育史最早的师范学校，但由于不符合有关规定，次年宣布停办，开始筹设正规的师范学堂。当时单独创办的师范学堂共有3所：速成师范学堂。当师范馆即将停办省署当局仿日本速成师范之制，于1905年将兰州贡院巷的求古书院改建为速成师范学堂。该学堂最初由兰州道台彭英甲任总办，主持筹备事务。后由王鸿福任提调，刘光祖任总教习，教职员定额为13人，学生每期定额为60人，学制为一年。所修课程有修身、伦理、史学、经学、教育、算术、舆地、格致、英文、图画、体操等11门，以培养初、高级小学堂教师为目的。由于该校师资不足，有些学科设而未开或开而无实。入堂学生由各府厅州县按省署配额，从当地固有生员或中学堂学员中择优选送，实际上不少举贡出身的士子也在应选之中，故其年龄差别极为悬殊。据前人回忆，第一期毕业生中，年龄最大的51岁，最小的只有18岁。但由于学龄没有限制，修业期限较短，而且待遇比较优厚，除发给全部书籍文具外，每月还有膏火银8两，因而应选入学者较多。在管理方面，学堂纪律比较严格，凡违犯学堂规则者，分别给以记过、罚银、掌责，以至驱逐出堂等处罚，因之学风良好。但是，由于清廷学部为了统一师范学堂的体制规范，决计停办速成师范学堂，因而兰州的速成师范学堂于1908年宣告停办，被改为初级师范学堂。
优级师范学堂。创办于1906年，由兰山书院改建而成，是一所正规的师范学堂。学制分为预科和正科两科，教育目标是培养中学和初级师范学堂的合格教习。其基本设施和培养目标，大体相当于以后的高等师范学校。优级师范开设的课程，预科有伦理、经学、子学、国文、算学、史学、地理、博物、理化、日文、英文、俄文、教育、心理、图画、体操等16门；本科分设史地、博物、理化、数学四大类，其学生来源，为各府州县选送的廪生、增生、附生、监生等。开始时规定每县选送2人，较大的县选送4～5人，共选送200人。但那些已有秀才身份的生员们，还幻想以后再登科场，或谋求一官半职，不想就学，因而优师正式开学上课时，只有学生80余人。只得于1907年，又令各府州县在新学堂中选送学生，但仍为数有限。师生两缺，始终是创办优级师范的主要困难。在学生待遇上，师范学堂一开始都采取比较优厚的政策。优级师范每月发给膏火银2两4钱，并供给全部书籍文具。学期结束时，对于大考成绩优良者发给奖银8钱至4两，这样的待遇相对于当时一般公务员的最低月薪。这与全国其他师范学堂的情况基本相同。
优级师范开创时间在国内也是较早的。1907年，新旧学生只有140人，全部合并为预科。次年冬，预科生全部毕业，旋即如数升为选科，分成史地、理化、博物、数学四科，使优师变成了选科优师。1910年底，选科生全部毕业，此前总办杨增新已调往新疆，优师再未招生。之后，省署将初级师范学堂合并于优级师范学堂，改名为两级师范学堂。民国成立后，改为省立第一师范学校。
初级师范学堂。1905年，由速成师范学堂直接扩建而成，是一所五年制的正规化师范学堂。根据清政府规定的统一学制，分设完全科和简易科两科。完全科又分为本科和预科，本科3年，预科2年。经费全由藩库开支。初级师范设有提调管理全堂事务，下设监督、教务长等职。学生来源，也由各府州县按配额选送，全属廪生、增生、附生。招收学生时，没有年龄限制，简易科第一届学生的年龄最大的43岁，最小的24岁。学生每月膏火银皆为4两，由各府州县按其所送名额筹解。所修课程分修身、读经、讲经、教育、文学、历史、地理、算学、理化、博物、图画、体操等12门，其中经学课时与一般学堂相似，由总教习主讲。在师资中，合格的西学教习太少，这是初级师范和其他新学堂的普遍现象。即使以比较优厚的待遇延聘西学教习，也难能在短期内改变这种困境。
实业学堂作为近代兴起的技术专业学校，是与资本主义经济的产生发展紧密联系的。从19世纪60年代开始，洋务派为了“师夷之长技以制夷”，“觅制器之器与制器之人”，着手创办一批外语学校、近代实业技术学校。到了20世纪初，清政府标榜“自强”、“求福”的洋务运动宣告失败，但要求社会前进的呼声却更趋强烈，加之外国传教士的长期活动以及近代工业的初步发展，产生了对科技专门人才的迫切需求。于是，兰州的职业技术教育应运而生，各类实业学堂相继创办。这些学堂主要有：农林学堂。1908年，由兰州道台、甘肃农工商总局的总办彭英甲创办，校址在兰州西关举院（今兰州大学第二医院内）。所需经费由农工商矿总局筹拨。修业年限五年，分设预科和本科。办学方针是一面学习，一面参加生产。课程设置方面，以经学、国文、历史、地理、格致、算学、物理、化学、日文、英文、藏文、实验、实习、图画、体操等为公共课，另设日文、代数、几何、三角、农林等专业课。招生办法，一由学堂出题招考，二由各州县推荐保送。后来因专业教习缺乏，名实不符，在第一期学生毕业即陷入停办状态。
矿务学堂，也是1908年由彭英甲创办的，与农林学堂合办于同一地。矿务学堂的学制、年限、和科别设置、学生来源等情况与农林学堂相同。学校设有监督、庶务长、监学、会计等职员，所设课程中，公共课与农林学堂相同，专业课设有英文、法文、藏文、化学、试金、冶金、采矿、地质、测量、制图、应用力学等，共有教习13人，其中比利时教习贺尔慈讲授化学，林阿德讲授英文，法国人狄比纯讲授法文，其他合格的专业教习几乎空缺。该校同样于首届学生毕业后停办。
此外，还有1909年在兰州织呢局附设的一所实业学堂即兰州织呢艺徒学堂。这所学堂专为培养该局所需艺徒而设，属于初等实业学堂。该学堂在管理体制方面与农林、矿务学堂相似，都由主办机构和本省提学使署兼理，所需经费由织呢局支付。学生正额20人，从织呢局挑选；副额10人，从局外招考。修业期为三年，所修课程由本局的德国籍工匠和本国工程师及外文翻译任教习，分门讲习各项制造工艺与所需科技知识。学生毕业后分派本局工作。这所学堂的创办虽有一定功效，但其发展历程只能取决于织呢局的需要程度，局限性较大。