吴汝纶的思想比较开通，主张研习西学。他主讲莲池书院时，曾特聘英文、日文教师。又曾为严复译《天演论》《原富》和美日学者多种著作写序，倡导启蒙。他爱与西方名流学者切磋，交流新思想、新科学，以为"非有实在本领，不足与外人相抵"。吴汝纶一生笃志于教育，又深谙教育规律，而且对中国教育现状及外国的教育状况有深刻的认识，因此，他认为中国的教育不能仅仅是小修小补，而应该是一个破旧立新的过程。不破旧不足以转变社会风气和士人的思想观念，不立新不足以培养"经世致用"的合格人才。在明确了这一价值观念后，吴汝纶开始了他大刀阔斧的教育改革历程。

　　主张废除科举，提倡西学

　　中国的科举考试制度发轫于隋唐，中经宋、元、明等朝，到了清代已经承袭了一千多年。这种考试制度以儒家经典为主要的命题来源，以"八股文"为主要的选才方式，如此的教育在清代末期面对接踵而至的西方列强时已是不堪一击了。吴汝纶在坚决主张废除科举的同时也坚决主张在中国广泛传播"西学"，他强烈指出"观今日时势，必以西学为刻不可缓之事。"吴汝纶是一位有远见卓识的文人士大夫，对西学有着深刻的了解。纵观吴汝纶的一生，吴汝纶早年间入曾国藩幕府协理"洋务"，后来又入李鸿章幕府，接触到了更多的西方哲学、史学、文学、政治、经济、外交、医学和法学等西方书籍，对"西学"的认识逐步加深。特别是当严复翻译的《天演论》即将出版请他代为作序时，他对此书大加赞赏。在吴汝纶看来能使中国富强的途径就是彻底深入地学习西方知识，并且还以日本为例，指出日本在明治维新之时取法欧美，大倡"西学"，得以在较短时间内跃居世界强国，"兴国才卅十年，而国势人才已骎骎与欧美埒。"是日本兴"西学"强国的重要证明。

　　大兴新式学堂，培养人才

　　吴汝纶是科举制度的受益者，但是当他看到中国近代落后与科举密切相关时，他立刻转变观念，猛力抨击科举制度，成为封建士大夫中较早明确认识到兴办新式学堂造就可用人才是国家富强，民族振兴根本大计的先进分子。吴汝纶毕竟是一位有远见卓识的教育家，所以他也看到了在中国兴办新式学堂，必须立足中国的国情，循序渐近，而不能完全照抄照搬西方的经验和模式，必须找到一个适合中国实际而又能为广大中国人接受的学校模式。为此，他认为应该甄别处理几大方面的问题:

　　莲池创新，东西合璧

　　光绪十四年二月，吴汝纶就任保定莲池书院山长，历时达14年之久。在主讲莲池书院之初也是以举业作为中心内容来加以传授，其主旨也是为科举服务的。但是到了甲午战争以后，吴汝纶开始怀疑科举制度的内容和效果，于是在这所古老的书院中开始了他最初的教育改革的探索与尝试。在这里，他最大的实践就是先后开设了英文和日文两个学堂，并且从美、日聘请了教习传授知识，把他们作为与古文和举业同等重要的科目。他还亲自筹措经费、亲自组织授课，当时他自己就曾感言"保定一城，由下走开成东、西文两学堂，并不甚多费，颇以此为喜。"同时他还购买新式图书，组织学生讨论时局。

　　创办新式学堂，践行教育理念

　　吴汝纶在访日回国后就开始着手创办桐城学堂，经过四处劳苦奔波，多方洽谈交涉，终于解决了场地和经费问题，并且在日本聘请到了日本教习早川新次，终于在垂暮之年创办了桐城县学堂。桐城学堂是吴汝纶"安得东西并一堂"理念的一次实践，是他倾尽心力的结晶。早在访日结束回国以前，吴汝纶心目中就有了新式学堂的大体雏形，即创办一所速成专科，为社会开化和新学传播培养人才。