Промышленный переворот, бурное развитие индустрии и транспорта, процесс урбанизации, т.е. роста и развития городов стимулировали научный прогресс. Во второй половине XIX в. отечественные ученые добились крупных успехов во многих областях знания.
В области естествознания крупнейшим ученым-естествоиспытателем был И. М. Сеченов. В его работах было дано физеологическое объяснение психических явлений. К. А. Тимирязев явился основоположником русской школы физиологии растений, исследовал процесс фотосинтеза. А. М. Бутлеров создал теорию химического строения веществ, явившейся фундаментом современной органической химии. Ученым мирового масштаба стал Д. И. Менделеев, открывший периодический закон химических элементов и составивший на его основе периодическую таблицу. Создателем русской математической школы стал П. Л. Чебышев. Европейскую известность приобрела первая женщина-математик С. В. Ковалевская. Работы ученого-физика А. Г. Столетова в области магнетизма и электричества нашли широкое признание в мире.
Российские изобретатели внесли свой вклад в развитие техники. П. Н. Яблочков изобрел дуговую лампу («свеча Яблочкова»). Электротехник А. Н. Лодыгин изобрел электрическую лампу накаливания. М. О. Доливо-Добровольский первым в мире произвел передачу электрического тока на значительное расстояние. Отечественные инженеры впервые осуществили электросварку металлов. Первые в мире профессор А. С. Попов продемонстрировал работу радиостанции и радиоприемника, А. Ф. Можайский создал самолет. К. Э. Циолковский стал основоположником теории ракетного движения.
Развитие географии связано с именами П. П. Семенова-Тян-Шанского, Н. М. Пржевальского, внесших свой вклад в изучении Азии, Н. Н. Миклухо-Маклая, исследовавшего тихоокеанские острова.
В области общественных наук наибольшую известность приобрели историки С. М. Соловьев, Н. И. Кареев, П. Г. Виноградов, философы В. С. Соловьев, К. Н. Леонтьев.
Благодаря реформам 60-х гг. в России сложилась достаточно стройная система образования. Ее начальная ступень была представлена государственными, церковно-приходскими, земскими школами. Среднее образование давали гимназии, где большое внимание уделяли гуманитарным дисциплинам и древним языкам, и реальные училища, в которых упор делался на естественно-научные предметы. Высшая школа — университеты и специальные высшие учебные заведения. Новым явлением в области высшего образования стало появление Высших женских курсов в Москве и Петербурге. К концу века в них обучалось более 1,5 тыс. слушательниц.
Наряду с развитием всех ступеней народного образования проходил рост числа музеев, библиотек, научных обществ, комитетов грамотности, воскресных школ для рабочих, различных курсов и кружков, увеличивался выпуск книг и журналов.
Бедность страны, недостаточная восприимчивость отечественной промышленности к техническим новшествам тормозили развитие науки и просвещения. Многие русские ученые вынуждены были жить и работать за границей, их открытия и изобретения чаще всего использовались не в России, а за рубежом. Несмотря на рост образования, подавляющее большинство населения оставалось неграмотным. Общий культурно-образовательный уровень страны значительно отставал от европейского.