1910年11月，为了克服选派留美学生的困难，清廷学部奏请改革游美肄业馆的三项办法：
(1)将游美肄业馆的学生名额由原来的300名增加到500名；
(2)将学制定为八年，分高等和中等两科，各为四年制；
(3)高等科分科教授，参照美国大学办理。
毕业学生不仅限于留美这一途径，在该馆肄业的学生，也能具有专门的才学。同时，由于游美肄业馆地基原系赏用清华赐园旧址，文宗皇帝所书的匾额仍悬园内，故仍沿旧称，请将游美肄业馆改为“清华学堂”。清华学堂的校址设在北京西郊清华园。
1911年4月29日，清华学堂正式开学，周自齐出任第一任总办，范源濂出任第一任会办，胡敦俊任教务长。报考清华的学生年龄以15岁以上，18岁以下为限。考试科目：
(1)国文；
(2)英文文学作文；
(3)德文或法文作文、翻译英文；
(4)地理以本国为主兼及外国；
(5)本国历史；
(6)外国历史，上古、中古、近世通史；
(7)代数初等、高等；
(8)几何平面、立体；
(9)三角；
(10)物理；
(11)化学以无机为主兼及有机；
(12)动植生理；
(13)地文地质。
上列学科除国文、地理、本国历史外，余均用英文考试，其德文或法文未曾习过而其他学科均能合格者，亦准与考。而且规定学生入学后，试学三个月再行甄别去留，不合格者则被淘汰。可见选拔是非常严格的。
清华学堂全校30多位教师中，美国教师有10多人，全校400多名学生，来自各省，一律公费。不久，辛亥革命爆发，学堂停办，半年后的1912年5月1日，清华学堂重新开学，并将“学堂”改称“学校”，把“监督”改称“校长”，早期留美生唐国安(当年随容闳赴美的120名幼童之一)出任第一任清华学校的校长，周诒春为副校长，并重新整顿了校务和教务，以培训留美预备生为清华学校的宗旨。
清华学校对学生要求严格，注意德智体三育的发展。在《选派学生赴美游学章程》第一条中规定：“清华学校选派游美之学生，以本校三育俱优之毕业生及由本校临时考取之专科生与女学生为合格。”学校非常重视英语，许多课程采用英文教本，连一些诸如行政会议、文艺节目、布告、辩论会等都采用英语。学校非常重视体育，规定了如体育不及格则不准出国留学，并搞强迫运动，每天下午四点到五点为强迫运动时间。于是，一到下午四点，学校就把所有的教室、宿舍、图书馆全部锁起来，迫使学生们到运动场上去锻炼，体育老师们还到处巡视，如发现那些躲着看书的学生，夺过书本，强制他们到操场上去活动。1917年的清华留美生汤佩松回忆道：“那时的体育课教师是马约翰先生。他热情而又严厉，具有很强的责任心。他作了一些规定，诸如三次旷课，体育成绩就按不及格论处；五项全能考试不及格者，不能获得出国留学的资格；甚至不会游泳的学生，也在不准出国者之列。因此，整个清华园，自然有一种你追我赶的学习空气。受了这种环境的感染，我也加入了竞争者的行列。在课堂上，我开始成了一个循规蹈矩的学生；在运动场上，我更是一名出色的体育健儿，是学校足球队、田径队、棒球队中的一员干将。”马约翰常对学生们说：“你们要好好锻炼身体，要勇敢，不要怕，要有劲，要去干。外国人打棒球，你们也去打；外国人踢足球，你们也去踢。不要出去给中国人丢脸。不要人家一推你，你就倒；别人一发狠，你就怕；别人一瞪眼，你就哆嗦。”这种精神，后来归结成一句话：“干到底，决不松劲！”(Fight to the finish，nevergive in！ )经过这样的措施和训练，提高了学生的体质和精神面貌，保证了留学生派遣的质量。
清华学校的出国预备期为八年，时间是较长的，但经过这样长时间系统扎实的学习，赴美学生到美国后普遍反映学起来得心应手，困难较少。1912年，继前三批选送的直接赴美留学生后，清华学校又遣送高等科毕业生16人留学美国，这是清华学校成立后第一批派出的留学生。这之后，清华学校每年的高等科毕业生全都资送留美。大约每隔一年，学校还招收一次女生(1914年开始)和专科生(1916年开始)直接资送留美。此外，还有一些留美自费生也接受清华的一部分津贴，称为“津贴生”。到1929年清华学校改为清华大学，派往美国的留学生达1279人。这样，以清华为中坚力量，便形成了清末民初赴美留学的高潮。