1902年1月，慈禧帶著光緒回到北京后，仍然將光緒囚禁在瀛臺，一直到其死去。然而，自從《辛丑條約》之后，列強對中國的瓜分卻日益加劇。在聯軍紛紛撤走時，俄國卻在中國東北駐留了幾十萬軍隊，沙皇尼古拉二世企圖奪取滿洲，不斷在東北擴張沙俄的統治勢力。沙俄對中國東北的野心與日本的大陸政策發生了沖突，英國和美國也不愿俄國獨占東北權益，因而支持日本與俄國不斷談判。

1904年2月，日軍偷襲停泊在旅順口的沙俄太平洋艦隊，并擊沉在朝鮮仁川的俄國軍艦，引發日俄戰爭。當時，俄國的軍事實力強于日本，但其在遠東的軍力不足，海軍更是分布于太平洋、波羅的海和黑海，調遣非常耗時，因此日本從一開始就決定速戰速決。戰爭爆發當月，日本便派兵從仁川登陸，迅速北上；5月，日軍強渡鴨綠江，擊敗沙俄沿江守軍3萬余人，進入中國境內。不久，日軍奪取大連，切斷了旅順俄軍和駐扎在遼陽的俄軍主力之間的聯系，遼陽俄軍立刻出動救援，雙方在瓦房溝交戰，俄軍戰敗。接著，另一路日軍又成功登陸，與先前那路日軍會合，進攻遼陽。6月，第三路日軍抵達，隨后日軍進攻旅順，占領營口，8月在旅順港附近摧毀俄國太平洋艦隊主力，奪得黃海、日本海域的制海權，旅順俄軍陷入重圍。同月，日軍在遼陽戰役中擊敗16萬俄軍，取得重大勝利。10月，俄軍反攻失利，被迫撤至奉天，雙方大規模戰斗至此暫停，出現所謂“沙河間歇”的膠著狀態。

1905年1月，旅順俄軍投降，日軍全面北上展開了奉天會戰，雙方共投入60萬兵力，激戰三個月，俄軍戰敗，日軍占領奉天，并乘勝進據鐵嶺、開原。5月底，前來增援的俄國波羅的海艦隊在對馬海峽同日本聯合艦隊進行了大規模海戰，也就是對馬海戰，結果俄國艦隊幾乎全軍覆沒，日軍則隨后又占領了庫頁島的一部分。與此同時，就在1905年這一年，俄國爆發了資產階級革命，無暇顧及遠東戰事；日本也由于長時間戰爭消耗而筋疲力盡，急于結束戰爭；美國則出于對日本過分強大的担憂而不斷從中調停。最終，1905年9月，日俄兩國在美國簽訂了《樸次茅斯和約》，劃分了各自在東北的勢力范圍。

日俄戰爭是在中國領土上進行的戰爭，可清政府竟無恥的宣稱“彼此均系友邦”，還將遼河以東劃為“交戰區”，自守“局外中立”。不過，俄國和日本顯然對此毫不領情，1905年12月，日本強迫清政府簽訂了《中日會議東三省事宜條約》，清廷除接受了《樸次茅斯和約》外，還額外給了日本在東北經營、修筑鐵路的權益。日本也趁此機會加強了對朝鮮的控制，1910年，日本兼并了朝鮮。

1903年，趁著日俄兩國關系緊張，戰爭一觸即發，英國派軍進犯西藏，發動第二次侵藏戰爭（第一次侵藏戰爭發生在1888年，西藏地方軍和清軍防御失敗，英國通過中英《藏印條約》和《藏印續約》打開了西藏的大門，電影《紅河谷》就是依托于這段歷史背景）。雖然藏族人民對英軍給予了堅決反擊，但最后英軍仍然侵入了拉薩，并強迫西藏官員簽訂了《拉薩條約》，把西藏變成了英國獨占的勢力范圍。不過，清政府不承認《拉薩條約》，并派代表與英國重新交涉；1906年，中英在北京簽訂《中英續訂藏印條約》，英國取得了《拉薩條約》中的一些特權，但承認中國對西藏擁有主權，宣布不干涉西藏政事。

在整個20世紀的頭10年，英、法、日、俄、德等列強加強了對中國的政治控制和在華經濟勢力的擴張，不僅在華貿易額和投資加大，而且還不斷掠取中國的鐵路和礦山資源。

清政府方面，在庚子國變后，“大阿哥”溥儁被廢黜，許多主戰派大臣被作為“禍首”處置，因此以張之洞等人為代表的洋務派官僚地位上升，清政府高層逐漸開始變革封建體制，協調統治集團內部各派系之間的矛盾，以鞏固滿清的統治，平息人民的反抗。1901年，清政府開始推行“新政”，其主要措施包括：調整官制，整頓吏治，將總理各國事務衙門改為外務部，裁撤大量臃腫的官僚機構，停止捐納實官；編練新軍，創辦、訓練巡警，設立武備學堂、警務學堂；振興商務，提倡并獎勵私人資本創辦實業；廢除科舉，興辦學校，設立各級學堂，向歐美和日本派遣大批留學生，還允許了滿漢通婚，勸止婦女纏足。

在各項新政中，編練新軍最為耀眼。1901年李鴻章死后，袁世凱接任了直隸總督兼北洋大臣，他大力推行新政，并于1905年率先練成北洋六鎮新軍，形成了當時最大的官僚軍事集團，為其將來走上中國政治舞臺之頂峰打下了基礎。

從新政推行5年后的1906年開始，清政府宣布實行“預備立憲”。所謂“憲政”是指以憲法為中心的民主政治。《辛丑條約》后，列強們改變策略，打算保全、扶植滿清政權作為他們“以華治華”的工具，因此他們需要清政府披上“民主憲政”的外衣；另一方面，19世紀晚期，中國資產階級開始興起，不斷高漲的民主思潮與舊的封建專制主義發生了碰撞，不管是資產階級革命派，還是資產階級右翼及君主立憲派，都或者主張推翻封建專制，或者要求通過君主立憲政體獲得一定權利，因此清政府也需要借助政治上的改革拉拢立憲派，保全自己的統治地位。

1905年，日本在日俄戰爭中取得勝利，這給了清廷很大的震動，他們覺得日本這樣的一個小國之所以能戰勝強大的沙俄，完全是因為日本施行了君主立憲制，“日本以立憲而勝，俄國以專制而敗”，于是，數月間，立憲之議遍于全國，清政府也效仿當初日本的做法，于1905年派出載澤、端方等五大臣出國考察。1906年，五大臣先后回國，他們指出，立憲有三大好處：穩固皇位、減輕外患、消除內亂；同時，他們也建議：“今日宣布立憲，不過明示宗旨為立憲預備，至于實行之期，原可寬立年限。日本于明治十四年宣布憲政，二十二年始開國會，已然之效，可仿而行也”。清廷高層看中了這“預備”二字，于是在1906年9月頒布了《宣示預備立憲諭》。

在預備立憲中，清政府做了大量工作，并宣布立憲以九年為期，但也提出“君主神圣不可侵犯，君主獨攬統治權”，暴露了其“皇帝專權，人民無權”的欺騙性本質，激起了民眾的憤慨，也讓立憲派大失所望。然而，畢竟在轟轟烈烈的預備立憲中，憲政知識得到了廣泛傳播，立憲議員們的民主意識和管理能力得到了鍛煉和提高，這無疑為后來辛亥革命的成功和這些人在民國初年的迅速從政打下了基礎。

1908年11月，光緒皇帝病死，第二天，慈禧老佛爺也死去。據說光緒病重期間曾表示，自己一定能死在老佛爺后面，這樣的話，就一定要下令斬殺袁世凱和李蓮英，不料這件事被李蓮英知道，他立即報告了慈禧，慈禧聽后便下令皇帝的飲食、醫藥之事統統由李蓮英服侍，結果當天下午，光緒的病情就突然加重，不久就死去了。也有人認為當初袁世凱出賣光緒，導致戊戌政變，所以他一直担心慈禧死后光緒會對付自己，于是就勾結慶親王奕劻，打算廢黜光緒，立奕劻之子為帝，結果未遂，于是就毒殺了光緒。當然，還有人覺得害怕慈禧死后，光緒對自己不利的是李蓮英，是他下手讓光緒死在了慈禧前面。

就在光緒臨死前一天，行將不起的慈禧在南海召見軍機大臣，以光緒皇帝無后為由，宣布立醇親王載灃（醇親王奕譞第五子，承襲爵位）之子、年僅三歲的溥儀為皇帝，并以載灃為攝政王。光緒看到皇儲是自己的親侄子，監國攝政王又是自己的親弟弟，也十分滿意。半個月后，溥儀繼位，隆裕太后（光緒皇后）和載灃攝政，改年號為宣統。