1879年底，康有为兴致勃勃地来到沦为英国殖民地的香港，亲眼看到了资本主义统治下的一些新事物。“览西人宫室之瑰丽，道路之整洁，巡捕之严密，乃始知西人治国有法度，不得以古旧之夷狄视之”（《年谱》）。在香港，他还参观了赛珍会（博览会），看了欧洲戏和马戏团的表演。心灵深处的封建文化积淀开始发生动摇，感到西方的资本主义制度确实优于古老腐朽的封建制度。于是康有为开始萌发向西方寻找真理的念头。
从香港回来后，康有为学习更加勤勉了。据说当时他每天早上抱一批书，往桌子上一放。右手拿着一把锋利的铁锥子，猛力向下一扎，锥穿两本书，就读两本书，锥穿三本书，就读三本书。每天不读完这“一锥书”，决不休息。以至于后来他由长期坐着读书，缺乏身体运动，影响了血脉流通，臀部长“核刺”。多年一直流水淋漓，给他带来很大痛苦。1882年五月，康有为第一次来到北京应试（需要说明的是，这一次应试和以后的各次应试，均是在康有为长辈们的强迫下参加的）。此行尽管没有及第，但却使他增长了许多见识。他游历了祖国南方的一些大城市，尤其是上海给他留下了深刻的印象。据说当时康有为从上海江南制造总局一下购走西学译著达3000余册，为当时该局售书总额的四分之一强。回到家后，康有为更加发奋攻读西方书籍。凡西方的声、光、化、电等自然科学，以及各国史志，诸人游记，耶稣教义等无所不读。当时康有为就是这样饥不择食地去吸取西方文化，以期能从西方找到救国富民的良药。经过长期痛苦的求索，尤其是大量接触了西方文化和目睹了资本主义制度的繁盛以后，他与其他先进的中国人样，认识到这样的道理：“要救中国，只有维新；要维新，只有学外国。”同时，康有为又从中国传统的儒家文化中找到了战斗的武器。
公元1890年初春，康有为在广州会见了今文经学家廖平，受到很大启发。觉得今文经学的“三统说”和“三世说”，就是可以通经致用的“微言大义”。康有为认为，陆、王心学虽“直捷明达，活泼，有用”，但不及今文经学“灵活”；佛教哲学虽讲“慈悲普度”，但“与其布施于将来，不如布施于现在”。于是在廖平的启发引导下，康有为彻底完成了由古文经学到今文经学的转变。并且很快完成了著名的《新学伪经考》和《孔子改制考》，从而正式奠定了他维新变法运动的理论体系。
投身变法
对世界的认识明确了，出于拯救中国的历史责任感，康有为犹如一名冲锋陷阵的战士，义无反顾地向穷途末路的封建势力发起了进攻。他创办学堂，传播变法图强思想，为维新运动培养干部骨干；他多次冒死上书光绪，呼吁治定国事，立即变法，其呐喊之烈，震耳发聩；他积极为推行变法而奔走，办报纸、组学会。为了变法维新事业，不惜流亡国外16年……
创办“万木草堂”
康有为非常重视教育事业，他把开办学堂，培养人才，作为进行维新运动、拯救中国的重要手段。他感到，在一个民智未开、人才奇缺的国家，要从事维新变法，改造社会是不可能的。每一次重大的社会变革，都必然要伴随一场大的文化教育运动、思想解放运动。公元1890年春，康有为举家迁往广州，居住在祖传老屋“云衢书屋”，开始了传道授业的生活。
康有为办学的招生办法很特别，他不举行一般的入学考试，而是举行“面试”。考生无论年龄大小、学力高低，只要能通过康有为的“面试”就可以入学。“面试”时，康有为同应试者进行严肃认真的谈话。通常是康有为主动向应试者介绍自己的政治学术思想，猛烈抨击汉学、宋学和八股训诂词章，指责教育界的积弊，宣传孔子改制等一套新说。凡能接受他这惊世骇俗之论的，即予录取。正是通过这种独特的“入学考试”，在康有为周围聚集了一大批有思想、忠于他学说和事业的门生。
康有为的开门弟子是陈千秋。陈千秋是当时就读于广州五大书院之首的学海堂的高材生，一名颇有爱国热情的青年。他十分仰慕康有为敢于冒死上书皇帝，请求变法的大无畏精神，故特登门求教。很快，陈千秋就为康有为的思想和博学所征服。于是他退出学海堂，正式拜康有为做自己的老师。经陈千秋的介绍，梁启超成了康有为的第二名学生。当时梁启超的身份比康有为高，与生活坎坷的康有为相比，梁启超可谓是春风得意。8岁学诗文，12岁补博士弟子员，成为少年秀才，17岁中举。但他在听了康有为的独到见解后，毅然决定放弃举人之尊，拜倒在一个前生的脚下受业。也许正因为梁启超有如此务实的胆魄，才使他在历史上成了与康有为齐名的伟人。随后，不少有志青年如徐勤等闻风而至，学生人数骤增至20余人，云衢书屋显然无法容纳了。1891年春，康有为便将学堂迁入长兴里邱氏书屋（今广州中山4路长兴里3号），这是一座前后三进的大院，大厅宽敞明亮，是个理想的办学讲课之地。长兴学会，这个培养维新变法人才的第一个摇篮就这样诞生了。1893年冬，随着办学规模的扩大，学堂又迁至广府学宫文昌殿后的仰高祠。康有为正式给学堂命名为“万木草堂”，其意以树人如树木，寓培植万木，为国栋梁之意。“万木草堂”的建立，标志着康有为教育救国的实践进入了新时期。万木草堂在办学方针上，注重了学生德、智、体的全面发展。在整个教育过程中，康有为经常鼓励学生，要仿效勇于献身国家富强的先辈，培养救国救民的使命感、责任感。在讲课时，康有为精神十分饱满，旁征博引，贯通中外古今，一讲就是半天。其声音之宏亮，如狮子吼，如黄河流，诚可谓诲人不倦的一代师表。学生们从康有为身上，直接学到了济世救民新一代知识分子的风范。智育方面，康有为主张以孔学为中心，通过这些教育，为维新变法制造舆论和奠定知识基础。同时，康有为也很强调经世致用。当时所开设的有关经世致用的课程有：政治原理学、中国政治沿革得失、万国政治沿革得失、政治实用学和群学。康有为希望通过中外历史的分析总结，作为维新变法的参考。康有为还很重视西学，他要求学生学习泰西哲学、万国史学、研究万国政治、学习外国语言文字及其自然科学。康有为规定，他的学生要读西洋译述百数种，以此来打开学生的眼界，架起向西方学习的桥梁，从而为国内的维新变法服务。为了培养学生具有健康的精神和体魄，万木草堂还首创了音乐舞蹈、体操、射击等课程，注意学生的全面发展。
教学方法上，康有为注意教法的活泼多样。除了课堂上系统传授知识外，他还十分重视提倡学生自学，为此专门设立了图书馆，名曰“书藏”。万本草堂还经常组织学生游学、编书、举办讨论会和演讲会等等，在实践中培养学生的能力。
在康有为的精心组织下，万木草堂成了名副其实的维新变法的干部学校。这里的许多学生如梁启超等，都成了后来维新变法的骨干和中坚。
上清帝书
公元1895年春，康有为偕梁启超等人再度赴京会试。时值中国在甲午战争中失败，清廷同日本签订极其耻辱的《马关条约》。该条约规定，割让台湾、澎湖和辽东半岛，赔款2亿两白银等等。其赔款之巨，割地之广，丧权之重，使得举国骇然。康有为目睹朝廷如此无能，山河破碎，悲愤难忍，拍案而起。他吸取了第一次孤军奋战的教训，首先通过其弟子梁启超去鼓动广东、湖南的举人联名上书；然后进一步发动其它各省举人行动起来，共同上书光绪，吁请朝廷拒绝和约。当时在京的18个省的举人，纷纷响应康有为的号召，决定联名上书。大家久慕康有为的大名，故公推他起草奏稿。康有为以满腔悲忿，奋笔疾书，用一天两夜时间，写成一份18000余言的上皇帝书，坚决反对《马关条约》，提出了“拒和”、“迁都”、“练兵”、“变法”四项救国主张。公车（应试举人）们建议光绪皇帝，“下诏鼓天下之气，迁都定天下之本，练兵强天下之势，变法成天下之治。”这就是著名的“公车上书”。
公元1895年5月，刚中进士不久的康有为写了《为安危大计，乞及时变法，富国养民，教士治兵，求人才而慎左右，通下情而图自强，以雪国耻而保疆国呈》。这次上书补充和发挥了“公车上书”中的内容，向光绪帝提出了自强雪耻的四大方案：富国、养民、教士、练兵。最后，康有为再次请求光绪立即变法。几经转呈，康有为的这次上书终于到了光绪的手里，这是光绪读到的康有为的第一份奏折。“上览而喜之”，下令军机处抄录三份，一份存乾清宫，一份存勤政殿，一份存军机处，并下令抄发各省督抚将军会议复奏。足见光绪帝对此条陈的重视程度，它成了推动光绪下决心变法的重要契机。
6月30日，即康有为上书后一个月，他又撰写了《为变通善后，讲求体要，乞速行乾断，以图自强呈》。此次上书主要“言变法次第之故”，“缓急先后之序”。康有为建议光绪，一是立科以励智学，奖励创新发明，使“国人踊跃，各竭心思，争求新法”；二是设议院以通下情。通下情的措施有五：一曰下诏求言，二曰开门集议，三曰辟论顾问，四曰设报达聪，五曰开府辟士。在《上清帝第四书》中，康有为第一次提出，要讲明国是，实行全面的根本性改革，“尽弃旧习，再立堂构”，反对“补漏缝缺”。从5月2日至6月30日的两个月中，康有为连续三次上书，系统地提出了变法纲领，从而将维新变法运动推向了第一个高潮，康有为成为了人们公认的维新运动的领袖。
公元1897年12月，中国面临着帝国主义的瓜分狂潮，德国人强占了胶州湾。康有为写了《外衅危迫，分割至，急宜及时发愤，革旧图新，以少存国祥呈》。在第五次上清帝书中，康有为再次给光绪开具了救国良方：“伏愿皇上因胶警之变，下发愤之诏，先罪己以励人心，次明耻以激士气。集群才咨问以广圣听，求天下上书以通下情，明定国是，与海内更始。自兹国事付国会议行，行尊降贵，延见臣庶，尽革旧俗，一意维新。大召天下才俊，议筹款变法之方；采择万国律例，定宪法公私之分。”至于变法模式，以康有为为光绪提供了三种以供选择：上策是“择法俄日以定国是，愿皇上以俄国大彼得之心为心法，以日本明治之政为政法。”中策是“大集群才而谋变政。”下策是“听任疆臣各自变法”。在康有为看来，能行上策则国家可以强盛；能行中策则国家尚可维持积弱的局面；即使是行下策，中国也不至于亡国。如果皇上不采纳这些建议，则国家将会灭亡。
这次上书是康有为历次上书中所开列变法内容最详尽的一次。在第五书中，康有为第一次提出学习俄、日维新变法的经验，走日本明治维新的道路。在第五书中，他还第一次提出制定宪法的主张，明确了实行君主立宪政治体制的轮廓。
康有为不停地上书光绪，但能送达转呈的很少，大多数被扣下来了。看不出朝廷有采纳变法主张的迹象，康有为感到十分失望，打算离开京师回广州。光绪的老师翁同龢真诚地挽留了这位维新变法的领袖。与此同时，给事中高燮曾为他上了第一个正式奏荐折，请求圣上召见康有为。由于恭亲王等人的反对，光绪帝只好令总理衙门大臣接见康有为，“询问天下大计，变法之宜”。在总署西花厅，便出现了康有为舌战群臣的一幕。
公元1898年1月24日下午，李鸿章、翁同龢、荣禄、廖寿恒等官员接见了康有为。接见气氛严肃而紧张。一开始，守旧派大臣荣禄就高谈祖宗之法不能变。这次会见进行了三个小时。光绪听了会见汇报后，非常高兴，很想亲自召见，直接听听康有为的见解。无奈恭亲王等人仍以皇帝不见四品以下官吏为由加以阻挠，光绪只好传令康有为条陈所见，并进呈《日本变政考》和《俄彼得变政记》。这次会见的最大意义就在于，康有为取得了可直接上书皇帝的特权。《上清帝第六书》即是产生于这种背景之下。
1898年1月，康有为写了著名的《应诏统筹全局折》。在这篇奏折中，康有为提出了“全变”思想。“观万国之势，能变则全，不变则亡，全变则强，小变仍亡。夫方今之病，在笃守旧法而不知变，处列国竞争之世而行一统垂裳之法。”康有为列举了世界上固守旧制而亡国的国家，前车之辙，犹可鉴也。
康有为主张中国的变法仿效日本的维新制度，因为在世界各国中，日本的许多情况与中国近似。“考其维新之始，百度甚多，惟要义有三：一曰大誓群臣以定国是，二曰立对策所以征贤才，三曰开制度局而定宪法。”根据日本的经验，康有为建议光绪帝，若要变法，宜首先抓以下三件事：第一，大集群臣于天坛、太庙或乾清门，宣布变法维新，“诏定国是”。第二，“设上书处于午门，日轮派御史二人监收，许天下士民皆得上书。”所有官员的意见，允许直接反映，不得由堂官代表转达。有“称旨”的，召见察问，量才录用，这样才“下情咸通，群才辐辏矣。”第三，“设制度局于内廷，选天下通才十数人入直其中”，皇上每日亲临商榷，订立各种新章。按康有力的设想，“既立制度局总其纲，宜立十二局分其事”——法律局、度支局、学校局、农局、工局、商局、铁路局、邮政局、矿务局、游会局、陆军局、海军局。这个奏折充分表达了维新法的改革主张和施政方针，成了后来指导“百日维新”的变法指南。光绪读后深受启发，推行维新变法的意志更加坚定了。
公元1898年3月，康有为第七次上书光绪帝——《译纂俄彼得变政记成书可考由弱致强之故折》。康有为鼓励光绪学习俄国。“唯俄国其君权最尊，体制崇严，与中国同。其始为瑞典削弱，为泰西摈鄙，亦与中国同。然其以君权变法，转弱为强，化衰为盛之速者，莫如俄前主大彼得。故中国变法莫如法俄，以君权变法莫如采法彼得。”这个折子的呈上，在催促光绪痛下决心立即变法方面，颇有作用。在不断上书朝廷吁请变法的过程中，维新变法纲领日臻完善，变法思想日益深入人心，光绪皇帝也终于下定了变法图强的决心。从此，康有为的政治生涯也由仅仅上书言事，不平疾愤呐喊，转到从事激烈的变法活动之中。