光绪二十四年（1898）春，各省举人来到北京参加戊戌科会试，康有为与御史李盛铎出面倡议成立“保国会”，以救亡图存相号召，并提出“保国、保种、保教”三项宗旨。康有为先后在京城粤东会馆、贵州会馆等处发表演说，张元济亦曾到场听讲。听完后，张元济曾对同乡京官汪大燮发表感想说：“其意在耸动人心，使其思乱，其如何发愤，如何办法，其势不能告人。 ”“康在桂馆刻俚言书多册分送，其中说话亦无甚奇，惟每说及己，则称康子，而康字必大于余字数倍。”
光绪二十四年四月二十三日（1898年 6月 11日），光绪皇帝根据康有为上书的建议，颁布了“明定国是”的诏书，宣布变法。诏书中指责了那些主张遵守旧章，排斥变法的顽固派，表示了坚定的变法决心。从此开始了著名的“百日维新”。
四月二十五日（6月 13日），翰林院侍读学士徐致靖保荐康有为、黄遵宪、谭嗣同、张元济与梁启超5人。徐致靖对张元济的评价是：“刑部主事张元济现充总理衙门章京，熟于治法，留心学校，办事切实，劳苦不辞。在京师创设通艺学堂，集京官大员子弟讲求实学，日见精详。若使之肩任艰大，筹划新政，必能胜任愉快，有所裨益。”光绪随即命张元济与康有为于四月二十八日（6月 16日）进见。
四月二十八日凌晨，张元济一早来到京城西郊颐和园朝房等候召见。这天，光绪皇帝召见的还有康有为、荣禄及两位即将赴外地上任的知府。康有为先到，张元济、荣禄先后亦到。荣禄（1836 —1903），满洲正白旗人，慈禧太后的宠臣，时任直隶总督兼北洋大臣，统率北洋三军，权倾朝野。荣禄到后，康有为即抓住这个机会向他大谈变法，可荣禄却意殊落寞，架子十足，摆出一副尊严不可冒犯的样子。对康有为的话只是唯唯诺诺，不置可否。张元济从中看出这位后党的权臣志不在此，道不同不相与谋，张元济从中感受到了某种不祥和的气氛。
召见时，两位新知府先依次进去。他们出来后，太监即传唤康有为第三个进去 A，张元济第四个进去，太监将张元济引到仁寿殿。一进屋，张元济看到光绪皇帝穿着衣冠坐在上面，他前面放着一张扎着黄帏的书桌。张元济进去后跪在桌子旁边。当时屋子里没有第三人，只有一君一臣相对。 关于这天的召见，康有为后来极力夸大光绪皇帝召见自己的时间，说从早到晚，他与光绪皇帝君臣之间讨论了一整天。在荣禄死后，张元济是这一事的唯一见证人。在康有为生前，张元济也许是出于礼貌，一直没有揭穿他。直到康死后的 1929年，张元济的同年举人汪兆镛（汪精卫之兄）将《清史稿·康有为传》的抄本送给张元济，请他评论。张元济在《康有为传》“自晨入，日昃始退”一行上面，简洁地在空白处加了眉批：“并无其事。元济是日同被召见，康先入，不过十余分钟，即退出。”这就揭穿了康有为的夸大。
关于这次召见情形，张元济在六月初九日致汪康年的信中有如下简略的介绍：“弟四月二十八日召见，约半钟之久。今上有变法决心，但力似未足，询词约数十语，旧党之阻挠，八股试帖之无用，部议之因循扞格，大臣之不明新学，（讲求西学人太少，言之三次。）上皆言之，可见其胸有成竹矣。”
在六月十八日（1989年 8月 5日）致沈曾植的信中，张元济如此描述：“济前者入觐，约两刻许。玉音垂问，仅三十余言。大旨谓外患凭陵，宜筹保御，廷臣唯诺，不达时务。（讲求西学人太少，言之者三）旧党阻挠，部议拘执，帖括无用，铁路当兴，一一皆亲切言之。济随事敷陈，首请坚定立志，勿淆异说；次则延见群医，以宣扬滞；再次则设馆储才，以备谘询，而归重于学校、科举两端（外间传言非无因也）。天颜甚霁，不自觉言之冗长。当时默窥圣意，似蒙听纳，然见诸施行，乃仅空还，题面无人乎？”
1949年 9月，张元济应《新建设》杂志之约，写了《戊戌政变的回忆》一文，对光绪的召见做了比较详细的叙述：
当时滇越边境发生划界的争执，光绪对我说：我们如果派人到云南去，要二个月才会走到，但外国人只要十天八天就会到达。我们中国道路不通，一切落后，什么事都赶不上外国，怎么好和人家办交涉呢？我说皇上现在励精图治，力求改革，总希望国家能够一天比一天进步。他听了之后叹口气说：可是他们都不赞成呀！我当时听他说这句话，心里觉得这位皇帝也够可怜了，也不便再说什么。光绪就把话头转到我们所办的通艺学堂上去。
那时候，我在北京和一些朋友办一所通艺学堂，（胡思敬所撰的《戊戌履霜录》说我在上海开办，这是错误的。）教授英文和数学。学生有四五十人。学堂聘请二位教员，一是同文馆的学生，另一位是严复的侄儿严君潜。通艺二个字就是严复取的。校址设在宣武门内象坊桥，租了一座大房子作校舍。学堂创办人有陈昭常（后出任吉林巡抚）、张荫棠（后任西藏大臣）、何藻翔、曾习经、周汝钧，均系部曹（以上五人均粤籍）、夏偕复（工部主事，浙江人，后出使美国）和我。经费无所出，由我和倡办诸人向总理衙门 各大臣递个呈文，请他们提倡。张荫桓最为热心，约了同僚数人联名写信向各省督抚募捐，一共捐了好几千元。张之洞、王文韶等都有捐款。光绪对外边的事很熟悉，知道我们在办学堂，那天他就问到学堂的情形，我就把学生人数及所学科目告诉他。他勉励我几句，说要学生好好地学，将来可以替国家做点事。他还问我一些关于总理衙门的事，问些什么事我已忘记了。光绪就叫我你下去罢，问话语气极为温和，看他面貌殊欠刚健。我退出时碰见荣禄进去。
按照清朝的制度，非四品以上官员，本来是没有资格见皇帝的。而张元济作为刑部主事、总理衙门章京，只是六品衔。光绪皇帝这次破格召见张元济，一方面是因为徐致靖的保荐，另一方面与张元济负责为光绪送新书，光绪早已熟悉了这名章京的名字有关。张元济晚年回顾自己的一生，说自己先后见到过中国五位“第一号人物”：光绪、孙中山、袁世凯、蒋介石和毛泽东。
光绪虽然懦弱，但主观上他却是一位想把国家搞好的皇帝。张元济晚年在《追述戊戌政变杂咏》中，有多首诗提到光绪皇帝，对光绪始终抱有知遇和惋惜之情。
天禄石渠非所眷，喜从海客听瀛谈。丹毫不厌频挥翰，召进新书日再三。
崛起东陲新建国，交邻未可袭常仪。宸衷独具先知觉，一字低昂未可欺。
微官幸得觐天颜，祖训常怀《入告编》。温语虚怀前席意，愧无良药进忠言。
为拯国危频发愤，反违慈意竟成仇。幸灾乐祸心何毒，岂是人鸣戴畜头。
帝王末世太酸辛，洗面常留涕泪痕。苦口丁宁宣国是，忧勤百日枉维新。
何处鸡声鸣不已，风潇雨晦倍萧寥。分明阴盛阳衰像，应是司晨出牝朝。
围宫何事能轻举，疑案今犹万口留。莫须有成三字狱，只缘压日有秦头。
在张元济觐见的前一天，慈禧太后即强迫光绪皇帝将协办大学士、户部尚书翁同龢革职，开缺回原籍。翁是光绪的师傅，也是光绪最亲信倚重的大臣，翁的去职无异于斩掉了光绪的胳膊，使之顿失主心骨。张元济闻此消息，联想到荣禄对康有为的冷漠态度以及光绪帝的那声沉重的叹息，不禁为维新变法的前途担忧。六月初九日（7月 27日），张元济在致汪康年函中忧心忡忡地说：“近来举动，毫无步骤，绝非善象。弟恐回力终不久，但不知大小若何耳！”
在此期间，张元济曾劝康有为利用光绪皇帝谕令各省办学堂之机会，离开北京返回广东原籍创办学堂，韬晦一时，以免过分触怒顽固派。等到将来风气大开，新进盈廷，人才蔚起之时，再图出山。到那时，变法维新不难迎刃而解。但康有为不接受，张元济亦无可如何。从这一事实说明，维新派中确实存在着激进和稳健两派，张元济无疑属于稳健的一派。
五月十五日（7月 3日），光绪谕令创办大学堂，派孙家鼐为管学大臣。孙家鼐受命后，亲访张元济，提出要聘张元济为京师大学堂（北京大学前身）总办。
六月初三日（7月 21日），天津《国闻报》报道说：“京师创设大学堂，所有总办提调，应由管学大臣奏派。……总办一员，刑部主事张元济，稽查功课。提调五员：翰林院侍讲黄绍萁，翰林院编修朱祖谋，翰林院编修余诚格……”
对于热心办学并致力于革新教育的张元济来说，这无疑是一个求之不得的实现自己抱负的最好机会。如果张元济接受的话，他就是北京大学的第一任校长。然而出乎人们意料的是，张元济却婉言辞却了孙家鼐的邀请。
张元济在翰林院时，孙家鼐曾是他们的教习，他们本有师生之谊，但张元济对孙家鼐的办事作风及其所用的人印象却很不好。在此之前，孙家鼐奉旨办官书局，办得很糟糕，给张元济留下了恶劣的印象。张元济在致汪康年的信中曾有这样的议论：“书局之开，是吾华一大喜事，浮云蔽日，旋即消散，寿州（指孙家鼐）闻尚有心，弟曾有书上之，后屡谒而不得一见，观其行事，亦终难扫除朝贵气习。所刊局报，多系芜词。阁抄格言，最为可笑。洋报偶有微词，译署原文咨送，均被删消。其人如此，概可知矣。”
对于拒绝接受京师大学堂总办一职，张元济解释说：“大学堂事，寿州派弟充总办，业已奏准。因其所用之人多非同志，极力辞退。此事亦恐变为官事，步官书局之后尘。可叹！可叹！”
封建顽固派势力盘根错节，力量极为雄厚。相反以光绪为首的维新派势力又是如此的单薄，张元济一开始就为维新变法的前途命运担忧。然而，人非草木，孰能无情？张元济这位六品部曹京官，被年轻的光绪皇帝的维新变法的热忱和孤立无援之处境深深触动，他经过一番周密冷静的思考之后，于光绪二十四年七月二十日（1898年 9月 5日）给光绪皇帝上了《时局艰难变法自强亟宜痛除本病统筹全局以救危亡而成盛业折》，全折约 7000字。