说起北京师范大学的源头，不能不提及京师大学堂。中国现代高等教育体系的顶层设计与系统探索，京师大学堂的孕育是肇端。但1898年设立的京师大学堂，既非顺产儿，更非幸运子，成立不久便因八国联军的侵掠而中断，其作为现代意义上的大学雏形来运转，还要迟至1902年师范馆、仕学馆的正式开学。
十九世纪后半叶，垂暮之年的大清帝国，外有列强环伺，内部百弊丛生。在西方船坚炮利和商品涌入的冲击下，大清帝国的门户一点点地打开， “天朝上国”、“礼仪之邦”的政治优越感和文化自信心锈迹斑斑。与此同时，西方的进步思想、先进文明和科技成就进入国人的视野。1894年，甲午战争惨败，材力物力十倍于日本的大清帝国不得不忍受胯下之辱，在“割让台湾岛”“赔银2亿两”的棒喝面前，国人愤然惊醒。梁启超在回忆中说道，“唤起我国四千年之大梦，实则甲午一役始也”。光绪皇帝“宵旰彷徨，临朝痛哭”，明言“不甘做亡国之君”。维新人士“结社”“办报”“公车上书”竭力鼓动，一时间舆论大哗。在羞惭交加、愤恨难忍的国民情绪面前，一场以变法自强为主旨的运动开始酝酿。
面对积贫积弱的困局，有识之士纷纷开出药方。介绍西方学校系统和教育制度的著述和奏折多了起来，从庙堂到士林，兴学之议不绝于耳，开办新学呈蔓延之势。甲午之败的当年，青年孙中山在“上李鸿章书”中慷慨陈词，“夫人能尽其才则百事兴，地能尽其利则民食足，物能尽其用则材力丰，货能畅其流则财源裕。故日：此四者，富强之大经，治国之大本也。”1896年，开始进入维新运动中心的梁启超，在《论变法不知本原之害》中说的异常明确，“变法之本，在育人才；人才之兴，在开学校；学校之立，在变科举。”刑部侍郎李端棻向清廷上《请推广学校折》，首次动议设立京师大学，强调“京师为首善之区，不宜因陋就简示天下以朴，似当酌动帑藏以崇体制”。其后，御史王鹏运也奏请开办京师大学堂。光绪帝予以批准，不久即命管理书局大臣孙家鼐筹划大学堂事宜。
清廷中的顽固派因担心权力受到削弱，竭力施展阻扰之能事，设立京师大学堂事宜一拖再拖。直到1898年6月11日，光绪颁布《定国是诏》，明令变法，强调“京师大学堂为各行省之倡，尤应首先举办”。在各方的催使下， 7月3日，总理衙门奏复《遵筹开京师大学堂折》，提出“宽筹经费”、“宏建校舍”、“慎选管学大臣”、“简派总教习”等办学措施，并附呈梁启超起草的《奏拟京师大学堂章程》，京师大学堂进入筹办程序。随后，又确定马神庙（今景山东街）乾隆四女儿和嘉公主的空闲府邸（俗称“四公主府”）作为校址。8月24日，礼部铸妥关防，户部划拨经费，京师大学堂开办在望。
需要说明的是，“维新变法”在教育方面的措施，不仅仅是成立一个大学堂，而是要对国家的教育体制、选材途径进行重新设计。这一思想集中体现在8章54节的《奏拟京师大学堂章程》中。章程规定“各省学堂皆当归大学堂统辖”，“一切章程功课，皆当依此次所定”，培养“中西并用，观其会通”的新型人才。 “大学堂兼寓小学堂、中学堂之意，就中分列班次，循级而升”。设置编译局，“取各种普通学尽人所当习者”“分小学、中学、大学三级”，编为功课书。
师范教育则尤为维新派所注重，在梁启超看来，富国强兵所需人才的匮缺，洋务派所办学堂的不敷其用，其根本原因有三：“一曰科举之制不改，就学乏才也；二曰师范学堂不立，教习非人也；三曰专门之业不分，致精无自也。”他进一步强调，“师范学校立，而群学之基悉定”，“欲革旧习，兴智学，必以立师范学堂为第一义”，这也体现在他起草的《奏拟京师大学堂章程》中。章程规定，“当于堂中别立一师范斋，以养教习之才”。大学堂的学生按照功课优劣分为六个等级，“于前三级学生中，选其高才者作为师范生，专讲求教授之法，为他日分往各省学堂充当教习之用。”
9月21日，慈禧太后发动政变，囚禁光绪皇帝，临朝“训政”，已经颁布的变法措施近于全废，筹办中的京师大学堂因萌芽早，得以保留，但已和维新派原来的设想和期望有很大的距离。12月18日，京师大学堂开学，只成立了一个仕学院，课程仍是四书五经一类的封建旧学，招收举人进士出身之京官入院学习，学生仅百人，大学堂的工友得称他们为“老爷”。1900年8月，八国联军侵入北京，俄、德军队占据大学堂作为兵营，大学堂校舍、图书、仪器等毁损严重，停办两年之久。
1901年10月，惶惶西逃、形同丧家的慈禧起驾回京，在残酷的现实和无情的打击面前，倒行逆施已没有出路，清廷不情愿地开始缓施新政。1902年1月，下令恢复京师大学堂，任命张百熙为管学大臣，重新厘定章程，筹备复学事宜。重新开办的京师大学堂，计划开设分科和预备科。考录到“国家需才孔亟”，设速成一科，分师范馆和仕学馆两门，于当年招生。预科的正式开办迟至1904年，举办分科大学则是8年之后的事了。师范馆的办学思路，无论是名称、功能，还是功课，大体上沿用了“师范斋”的设计理路。
1902年12月17日，京师大学堂正式开学，通过京城考试选拔和各省考选咨送，仕学馆录取学生57名，师范馆则有130余名之多，教学采用新的功课结构（大多数为新学）。师范馆在最初的两年中成为大学堂事实上的核心和主体，成为北京师范大学的源头。中国高等师范教育由此起步，中国教育史上的一个新纪元开始了。