为使海军事业迅速发展起来，尽快提高船政学堂毕业生的理论知识水平和实际操作能力，李鸿章和沈葆桢先后向皇上呈递奏章，请求派遣留学生出国学习。1877年1月，清政府批准了这个报告。船政学堂便立即开始选拔留学生。严复被批准到英国留学。1877年3月31日，严复、林永升等赴英留学的学生，在留学生监督李凤苞的率领下，经过两个月的海上航行，才抵达英国。
严复来到伦敦留学，学到了中国人所陌生的文化知识。他先入英国朴茨茅斯大学，学英语、天文学和驾驶技术，后进格林威治海军大学学习。别人都到军舰上实习，而严复却始终在学校学习。学习情况的不同，给严复创造了吸收更多西方文化知识的条件。
那时，伦敦大学随处可见达尔文、孟德斯鸠等一批杰出思想家和科学家的著作，也随处可听到人们谈论那些科学家和思想家的故事。严复就生活在这种学术风气浓厚的氛围中，他和其他人一样狂热地阅读达尔文、赫胥黎等人的著作。骇于李凤苞，他只是在学习专业知识外，偷偷地学习一些社会政治思想方面的知识。
严复还喜欢上街闲逛，领略伦敦的社会面貌。一天，当他偶尔听了一起案件的审理过程时，他的思想受到了强烈的冲击。西方的社会科学思想，英国的社会政治改革，使青年严复对社会、政治问题愈来愈感兴趣。他经常向当时驻英国的公使郭嵩焘讨教，他已开始思考中国的社会问题和政治问题了。
在留学期间，严复一边学习，一边将知识、理论，融会贯通。写成文章如《牛顿传》《论法》等，题材新颖，立论不凡，受到当时清政府驻英、法使臣曾纪泽的好评。但他没有骄傲，他继续利用课余时间阅读西方思想家的著作，决心进一步扩大探求新知识的领域。
经过两年系统学习，严复于1879年6月毕业回国，在母校福州船政学堂任教。
回到福州马尾船政学堂任教员后，他改名复，字几道。就在此时，一直苦心栽培和提拔他的沈葆桢逝世了，这对他是一次沉重的打击，而沈葆桢生前经营起来的南洋海军事业，又完全落入北洋海军头子李鸿章的手中。他只有靠自己去闯开一条路了。