25 Haziran 1861 tarihinde Abdülmecid'in vefatından sonra Osmanlı Devleti'nin otuz ikinci padişahı olarak tahta oturdu. Veliahtlık döneminde dinî ilimler, Arap dili ve edebiyatı ile müzik eğitimi aldı. Avcılık, güreş, yüzme ve cirit gibi sporlar yaptı. Tahta çıktığı zaman Tanzimat reformlarına devam edeceğini beyan eden bir ferman yayımladı.

Sultan Abdülaziz döneminde devletin en büyük sorunu malî sıkıntılardı. Padişahlığı boyunca en çok mesai ayırdığı mesele donanmanın modernizasyonu idi. Avrupa devletlerinden alınan kredilerle orduya yeterli miktarda teçhizat sağlandı. Donanmaya ilk zırhlı savaş gemisi bu dönemde katıldı (1864).

Ulaşım ve haberleşme alanında yaşanan güçlü atılımlar sayesinde demiryolu ağları 452 kilometreden 1344 kilometreye ulaştı. Haydarpaşa-İzmit tren hattı açıldı (1873). Ayrıca karayollarının onarımı ve yeni yolların inşasına bütçe ayrıldı. Niş, Bosna ve Vidin'e; Amasya, Samsun ve Kastamonu'ya yeni yollar yapıldı. Telgraf şebekesi kazalara kadar uzatıldı. Gemi işletmeciliği, rıhtım inşası, deniz yolları ticareti ve ulaşımı alanında da birtakım yenilikler hayata geçirildi: "İdâre-yi Azîziye" ismiyle de bilinen bir "seyrüsefâin idaresi" kuruldu; Şirket-i Hayriye'ye gemi işletmeciliği için imtiyaz verildi; 1874 yılında Galata Tüneli işletmeye açıldı, aynı yıl İstanbul'da itfaiye teşkilatı kuruldu.

Sultan Abdülaziz 30 Mayıs 1876 tarihinde tahttan indirilmesine kadar geçen yaklaşık on beş yıllık saltanatında eğitim alanında da önemli yeniliklere ve kalıcı reformlara imza attı. Bu dönemde hem yeni kurumlar açıldı hem de mevcut kurumlarda esaslı yenilikler yapıldı. Müfredat ve eğitim öğretim teknikleri açısından nitelikli yapılanmalar gerçekleştirildi.  Bugünkü isimleriyle Boğaziçi Üniversitesi, Galatasaray Lisesi, Çapa Fen Lisesi, Darüşşafaka gibi eğitim kurumları bu dönemde açıldı.

XIX. yüzyıla gelindiğinde devlet işlerinde işlem hacmi ve çeşitlilik artmış, geleneksel Osmanlı idare sistemindeki kalemiye sınıfından kalma "usta-şâkirt" ilişkisi üzerinden bürokrasiye memur yetiştirme usulü yetersiz hale gelmişti. Sultan Abdülaziz'in hükümdarlığı süresince bu ihtiyaca cevap vermek için esaslı adımlar atıldı. İlk olarak 1862 yılında, devlet kademelerine memur ve kâtip yetiştirmek maksadıyla Mekteb-i Mahrec-i Aklâm kuruldu. Rüştiye mekteplerinden mezun olanların gidebileceği bu kurum 1874'e kadar faaliyet gösterdi.

1869 yılında kabul edilen ve uygulamaya konulan Maârif-i Umûmiye Nizamnamesi ile maarif teşkilatının bir bütün olarak dönüştürülmesi amaçlandı. Osmanlı eğitim sisteminin dönüm noktalarından biri sayılan Maârif-i Umûmiye Nizamnamesi'ne göre öğretim üç kademeye ayrıldı: a) Sıbyan ve rüştiye (ilköğretim kurumları), b) İdâdîye ve sultâniye (ortaöğretim kurumları), c) Mekâtib-i âliye (yüksek okullar) (bk. Maârif-i Umûmiye Nizamnamesi).

1869 yılında sıbyan mektepleri tanzim edildi. Nizamname, sıbyan mekteplerinde verilecek dersleri ve öğretim tekniklerini de yeniden düzenledi.

1 Eylül 1868 tarihinde tamamen Fransız ortaöğretim sistemi örnek alınarak inşa edilen Mekteb-i Sultânî açıldı. Eğitim dili Fransızca olmakla birlikte bazı derslerin Türkçe okutulduğu, idaresinin Fransızlar'ın elinde olduğu bu orta dereceli öğretim kurumunda müslüman ve gayrimüslim çocuklar birlikte okudular.

Osmanlı'da medrese dışında bir yükseköğretim kurumu açma fikri 1845 yılına kadar geri gider (bk. Dârülfünun, İstanbul Üniversitesi). Dârülfünun fikri, Sultan Abdülaziz döneminde gerçekleşti (20 Şubat 1870). Ancak daha öncesinde 1863 yılında halka açık konferans şeklinde yürütülen serbest dersler verildi. Konferanslar fizik, kimya, coğrafya ve doğa bilimleri konularına hasredildi. İlk konferansı, 13 Ocak 1863 tarihinde İbrâhim Edhem Paşa'nın nezaretinde Kimyager Derviş Paşa verdi. Bu konferanslar hem devletin ileri gelen bürokratları hem de halk tarafından takip edildi.

Amerika Birleşik Devletleri sınırları dışında, eğitim dili İngilizce olan ilk Amerikan koleji olarak tarihe geçen Robert Kolej yine bu dönemde açıldı. 1870'te Fransız Frerler Misyoner Cemiyeti desteğinde Saint Joseph Fransız Lisesi Kadıköy'de kuruldu. Abdülaziz Fransızca ve İngilizce eğitimi yapacak yabancı kuruluşlara izin vermekle birlikte bunlar arasında bir denge kurmaya çalıştı. Batılı tek bir dile ve tek bir ülkeye bağlı olmamaya dikkat etti.

Sultan Abdülaziz devrinde, ayrıca meslekî ve teknik öğretim alanında reformlar yapıldı. Sanat okulları, kız ve erkek öğretmen mektepleri, ziraat ve fen okulları, baytar mektebi bu dönemde faaliyete geçti. Devlet dairelerine kâtip yetiştirmek amacıyla 1862'de Mekteb-i Mahrec-i Aklâm, yabancı dil bilen memur ihtiyacına cevap vermek için 1864 yılında lisan mektebi, ordunun tabip ihtiyacını karşılamak için 1866'da Mekteb-i Tıbbiye-yi Mülkiye kuruldu. Bu dönemde tıp ve eczacılık iki bağımsız şube olarak teşkilatlanmış, 1867 yılında müstakil bir eczacılık okulu açılmıştır.

21 Kasım 1868 tarihinde İstanbul'da sanayi mektebi isimli bir meslek mektebi açma çalışmaları başlatıldı. Sanat ve teknik mesleklerin geliştirilmesini amaçlayan bu mektep binası, Sultanahmet'te bulunan eski bir kılıçhanenin okula dönüştürülmesiyle faaliyete geçti. Okulun açılan bölümleri şunlardı: Dökümhane, Eğehane, Tamirhane, Terzihane, Kundurahane, Doğramahane, Oymahane, Ahşap, Hurufathane, Litografhane, Marangozhane, Matbaahane, Mevlidhane, Mücellithane, Nakışhane, Tabakhane, Saraç Hortum ve Tulumba, Tebeşirhane, Testerehane, Tornahane ve Kurunda Nefer. Çeşitli mesleklerin öğretildiği sanayi mektepleri İzmir, Bursa, Kastamonu, Bosna, Trabzon ve İşkodra'da 1868 yılında; Erzurum'da 1869 yılında; Diyarbekir'de 1870 yılında sanayi mektepleri açıldı. Ayrıca Kastamonu ve İstanbul'daki sanayi okullarında kız öğrenciler için tahsis edilmiş bölümler de vardı.

Bu devirde açılan okullardan biri de rüştiye mekteplerindeki eğitimin kalitesini arttırmak ve eğitim reformu sebebiyle ortaya çıkan öğretmen ihtiyacını karşılamak üzere kurulan dârülmuallimler idi. 1868 yılında İstanbul'da (Çapa Öğretmen Okulu, bugünkü ismiyle Çapa Fen Lisesi), 1870 yılında Bosna'da, 1874 yılında Suriye'de dârülmuallimîn mektepleri açıldı. Yine 1870'te dârülmuallimât ismiyle ilk kadın öğretmen yetiştirme mektebi açıldı. Dârülmuallimîn, rüştiye, idâdîye ve sultâniye olmak üzere üç şubeden müteşekkildi ve her şube kendi içinde edebiyat ve fen olmak üzere iki bölüme ayrılmıştı (bk. Dârülmuallimîn, Dârülmuallimât).

1868 yılında iki yıllık eğitim programı uygulayan Orman Mektebi, 1874'te ise maden mühendisi yetiştirmek amacıyla Maâdin Mektebi açıldı. Burada eğitim gören kişilerin kazanması istenilen vasıflar, maden rezervlerinin ve orman alanlarının saptanması, harita çizimi, yer yön bulma, işletmecilerin etkili çalışıp çalışmadığının denetlenmesi idi.

Eğitim alanındaki öksüz ve yetim çocukların eğitimini üstlenen Darüşşafaka 25 Haziran 1873'te kuruldu. Mektep programının son iki yılı "âlî" sınıflardan teşekkül ediyordu ve bu sınıflar yüksekokul müfredatını uyguluyordu. Bundan ötürü Darüşşafaka mezunları 1894 yılına kadar yüksekokul mezunu sayılıyordu (bk. Darüşşafaka).

Sultan Abdülaziz döneminde devletin dış politikadaki ana hedefi toprak bütünlüğünü korumaya yönelikti. Bu alanda başarılı olmak için kuvvetli ve dinamik bir askerî güce ihtiyaç duyulduğundan III. Selim döneminde başlatılan askerî modernleşme atılımı devam ettirildi. Askerî eğitim veren kurumlarda hem nicel hem nitel değişikliklere gitmek gerekli görüldü. 1866 yılında Mekteb-i Harbiye eğitimini güçlendirmek için Prusya'dan uzman ve eğitimci subaylar getirtildi. Yeni açılan askerî rüştiyelerde bu uzman subaylara dersler verdirildi. Taşkışla, Gümüşsuyu Kışlası, Taksim Kışlası gibi yeni kışlaların inşaatı tamamlanarak buralardaki eğitim modern usullerle desteklendi.

Sultan Abdülaziz döneminde Osmanlı donanması büyüklük ve savaş kapasitesi bakımından dünya çapında bir güç haline gelmişti. Deniz kuvvetinin bu kadar gelişmesi sadece donanmaya ayrılan bütçeye bağlı değil aynı zamanda Mekteb-i Bahriye'ye verilen önemin de somut bir göstergesi idi. Modern gelişmeler doğrultusunda deniz subayları yetiştirmeyi hedeflerinden biri edinen bu mektebin idareciliğine İngiliz Hobart Paşa (1822-1886) tayin edildi. Heybeliada'da bulunan Mekteb-i Bahriye, Sultan Abdülaziz döneminden önce kurulmakla birlikte onun döneminde eğitim biçimi ve müfredatı değiştirildi. Dünyada ileri seviyedeki ülkelerin donanmalarında görülen buhar ve zırh teknolojisi Abdülaziz'in ve devlet erkânının dikkatini çektiği için mektebe yeni bölümler dahil edildi. Gemi işletme mühendisleri ve vapurlar için gerekli olan teknik personel yetiştirmek amacıyla yeni sınıflar/bölümler eklendi (bk. Mekteb-i Bahriye).

1870 yılında kaptan mektebi açıldı. Eğitim süresi dört yıl olan bu mektebin yatılı kısmı Heybeliada'daki Mekteb-i Bahriye Yerleşkesi'nde, gündüzlü kısmı ise Azapkapı'da idi.

Sultan Abdülaziz'den önce kara kuvvetlerinin teknik eleman ve subay ihtiyacını gidermek üzere açılan rüştiyeler ve askerî idâdîler tekmil edildi. Ayrıca Mekteb-i Harbiye, Mekteb-i Tıbbiye ve Mühendishâne-yi Berrî-yi Hümâyun gibi eğitim kurumları yenilenerek faaliyetlerini sürdürdü. Askerî mekteplere 1863'ten itibaren gayrimüslim çocukları da kabul edildi. Bütün askerî mektepler Mekâtib-i Askeriye nazırının idaresine tâbi idi.

Sultan Abdülaziz devrindeki eğitim politikaları, eğitimdeki kurumsal ve idarî yenileşmeler, mektep ve öğrenci sayılarındaki artış, eğitim yatırımları devlet ve toplum için işlevsel bir nitelik kazandı. Eğitim kurumlarının devlet dairelerine bürokrat yetiştirmenin yanında toplumsal kültürü dönüştürmede de etkileri oldu. Eğitim alanında Avrupa'daki, özellikle de Fransa'daki gelişmelerin dikkatle izlendiği bu dönemde imparatorluk geneline yayılan bir okul sistemi kurulmaya başlandı. Kendisinden sonra gelen padişah ve yöneticilerin, okul sistemini yönetecek merkezî kurumlar inşa ederken dayandığı ilkeler bu dönemde ortaya konuldu. 1869 yılında hayata geçirilen Maârif-i Umûmiye Nizamnamesi 1913'te çıkarılan Tedrîsât-ı İbtidâiye Kanûn-ı Muvakkati'ne kadar yürürlükte kaldı ve Osmanlı eğitim sisteminin en önemli başvuru mercii oldu. O dönemde kurulan eğitim ve bilim kurumlarının çoğu bugün de varlığını devam ettirmektedir.