Изначально все гимназии и прогимназии предназначались только для обучения лиц мужского пола. Система женского образования, возникшая во времена Екатерины II, существовала автономно. В 1858 г., наряду с закрытыми дворянскими «институтами благородных девиц», стали возникать первые женские училища для представительниц податных сословий. В январе 1862 г. эти училища обзавелись собственным типовым уставом, а в ноябре 1862 г. они были переименованы в женские гимназии. В этих учебных заведениях также устанавливался семилетний срок обучения, но с сокращенной программой преподавания общеобразовательных дисциплин.
Итоги реформирования начального и среднего образования, при всех имеющихся недостатках, были впечатляющими: менее чем за сорок лет количество школ и гимназий выросло в десять раз — с 8 тыс. до 80 тыс. учебных заведений, а количество школяров и гимназистов в восемь с половиной раз — с 450 тыс. до 3,8 млн человек.
По инициативе целого ряда известных ученых и педагогов, в частности, Константина Дмитриевича Ушинского, в этот период значительно активизировалась работа по созданию целой сети внешкольного образования — так называемых «воскресных школ», первые из которых возникли еще в 1859 г.
В ноябре 1861 г. была создана специальная комиссия по реформе высшей школы, в состав которой вошли все попечители учебных округов, ректоры и профессура наиболее крупных университетов и институтов страны. В начале 1862 г. был подготовлен проект нового «Университетского устава», который после многократного обсуждения и согласования в различных правительственных инстанциях был подписан Александром II в июне 1863 г. Действие нового, самого либерального за всю историю России «Университетского устава» распространялось только на пять российских и малороссийских университетов: Московский, Петербургский, Казанский, Харьковский и Киевский, поскольку университеты в Дерпте, Гельсингфорсе и Варшаве уже имели собственные уставы.
В соответствии с новым «Уставом» во всех российских университетах создавалась унифицированная система, состоящая из четырех факультетов: историко-филологического, физико-математического, юридического и медицинского. Для Петербургского Императорского университета было сделано исключение и вместо медицинского был создан восточный факультет. Кроме того, вводились новые учебные дисциплины и открывались новые кафедры, а количество штатных профессоров увеличивалось в полтора раза.
Устав 1863 г. предоставлял университетам широкую автономию. Отныне университетский совет получил право самостоятельно решать все научные, учебные и административно-финансовые вопросы, в частности:
а) выбирать ректора, проректоров и деканов с последующим утверждением их в должности министром народного просвещения, присуждать ученые степени и звания;
б) распределять государственные средства, выделяемые на содержание университета, по факультетам и кафедрам, открывать новые кафедры, создавать в рамках факультета отделения, свободно выписывать иностранные издания, посылать своих студентов и профессоров на учебу и стажировку за границу и т. д.
Студенты всех российских университетов, как и раньше, делились на две категории: своекоштных, которые платили за обучение, и казеннокоштных, которые находились на государственном обеспечении. Первые, окончив университет, свободно выбирали себе род занятий или государственной службы, а вторые были обязаны отслужить на государевом поприще шесть лет по распределению.
Одновременно с реформой высшей школы был продолжен курс на расширение сети высших учебных заведений, треть из которых предназначалась для курсисток. В пореформенный период были открыты Новороссийский Императорский университет в Одессе (1862), Петровская земледельческая и лесная академия в Москве (1865), Московское высшее техническое училище (1866), Лубянские женские курсы в Москве (1869), Владимирские женские курсы в Петербурге (1870), Систематические женские курсы в Киеве (1870), Высшие женские медицинские курсы в Петербурге (1872), Высшие женские курсы профессора В.И. Герье в Москве (1872), Высшие женские курсы в Казани (1876), Бестужевские женские курсы в Киеве (1878), Высшее техническое училище Министерства почт и телеграфа в Петербурге (1886), Сибирский Императорский университет в Томске (1880), Харьковский технологический институт (1890), Томский политехнический институт (1896), Петербургский медицинский институт (1897), Киевский политехнический институт (1898), Петербургский политехнический институт (1899) и другие. Всего к концу XIX в. в России существовало 63 университета и института, где обучалось более 17 тысяч студентов.
Во всех высших учебных заведениях страны работали многие выдающиеся русские ученые, которые внесли огромный вклад в развитие национальной науки, в том числе Д.И. Менделеев, А.М. Бутлеров, А.Г. Столетов, И.М. Сеченов, К.А. Тимирязев, С.М. Соловьев, В.О. Ключевский, Ф.И. Буслаев и другие.
В эпоху «великих реформ» была проведена и реформа военного образования. Для подготовки младших офицеров армии и флота в 1863 г. все кадетские корпуса были преобразованы в военные гимназии, близкие по своей программе (помимо специальных военных дисциплин) к реальным гимназиям. В 1864 г. для подготовки среднего офицерского состава были учреждены военные училища, в которых обучались выпускники военных гимназий. В том же году для подготовки военных инженеров, артиллеристов и кавалеристов были созданы 16 юнкерских училищ с трехлетним сроком обучения. А для подготовки старшего офицерского состава была проведена реформа всех старых высших военных учебных заведений — Военно-медицинской академии (1798), Николаевской инженерной академии (1819), Михайловской артиллерийской академии (1820), Военно-морской академии (1827) и Военной академии Генерального штаба (1832).