1910年11月，為了克服選派留美學生的困難，清廷學部奏請改革游美肄業館的三項辦法：
(1)將游美肄業館的學生名額由原來的300名增加到500名；
(2)將學制定為八年，分高等和中等兩科，各為四年制；
(3)高等科分科教授，參照美國大學辦理。
畢業學生不僅限於留美這一途徑，在該館肄業的學生，也能具有專門的才學。同時，由於游美肄業館地基原系賞用清華賜園舊址，文宗皇帝所書的匾額仍懸園內，故仍沿舊稱，請將游美肄業館改為「清華學堂」。清華學堂的校址設在北京西郊清華園。
1911年4月29日，清華學堂正式開學，周自齊出任第一任總辦，范源濂出任第一任會辦，胡敦俊任教務長。報考清華的學生年齡以15歲以上，18歲以下為限。考試科目：
(1)國文；
(2)英文文學作文；
(3)德文或法文作文、翻譯英文；
(4)地理以本國為主兼及外國；
(5)本國歷史；
(6)外國歷史，上古、中古、近世通史；
(7)代數初等、高等；
(8)幾何平面、立體；
(9)三角；
(10)物理；
(11)化學以無機為主兼及有機；
(12)動植生理；
(13)地文地質。
上列學科除國文、地理、本國歷史外，余均用英文考試，其德文或法文未曾習過而其他學科均能合格者，亦准與考。而且規定學生入學後，試學三個月再行甄別去留，不合格者則被淘汰。可見選拔是非常嚴格的。
清華學堂全校30多位教師中，美國教師有10多人，全校400多名學生，來自各省，一律公費。不久，辛亥革命爆發，學堂停辦，半年後的1912年5月1日，清華學堂重新開學，並將「學堂」改稱「學校」，把「監督」改稱「校長」，早期留美生唐國安(當年隨容閎赴美的120名幼童之一)出任第一任清華學校的校長，周詒春為副校長，並重新整頓了校務和教務，以培訓留美預備生為清華學校的宗旨。
清華學校對學生要求嚴格，注意德智體三育的發展。在《選派學生赴美遊學章程》第一條中規定：「清華學校選派游美之學生，以本校三育俱優之畢業生及由本校臨時考取之專科生與女學生為合格。」學校非常重視英語，許多課程採用英文教本，連一些諸如行政會議、文藝節目、布告、辯論會等都採用英語。學校非常重視體育，規定了如體育不及格則不準出國留學，並搞強迫運動，每天下午四點到五點為強迫運動時間。於是，一到下午四點，學校就把所有的教室、宿舍、圖書館全部鎖起來，迫使學生們到運動場上去鍛煉，體育老師們還到處巡視，如發現那些躲著看書的學生，奪過書本，強制他們到操場上去活動。1917年的清華留美生湯佩松回憶道：「那時的體育課教師是馬約翰先生。他熱情而又嚴厲，具有很強的責任心。他作了一些規定，諸如三次曠課，體育成績就按不及格論處；五項全能考試不及格者，不能獲得出國留學的資格；甚至不會游泳的學生，也在不準出國者之列。因此，整個清華園，自然有一種你追我趕的學習空氣。受了這種環境的感染，我也加入了競爭者的行列。在課堂上，我開始成了一個循規蹈矩的學生；在運動場上，我更是一名出色的體育健兒，是學校足球隊、田徑隊、棒球隊中的一員幹將。」馬約翰常對學生們說：「你們要好好鍛煉身體，要勇敢，不要怕，要有勁，要去干。外國人打棒球，你們也去打；外國人踢足球，你們也去踢。不要出去給中國人丟臉。不要人家一推你，你就倒；別人一發狠，你就怕；別人一瞪眼，你就哆嗦。」這種精神，後來歸結成一句話：「干到底，決不鬆勁！」(Fight to the finish，nevergive in！ )經過這樣的措施和訓練，提高了學生的體質和精神面貌，保證了留學生派遣的質量。
清華學校的出國預備期為八年，時間是較長的，但經過這樣長時間系統紮實的學習，赴美學生到美國後普遍反映學起來得心應手，困難較少。1912年，繼前三批選送的直接赴美留學生後，清華學校又遣送高等科畢業生16人留學美國，這是清華學校成立後第一批派出的留學生。這之後，清華學校每年的高等科畢業生全都資送留美。大約每隔一年，學校還招收一次女生(1914年開始)和專科生(1916年開始)直接資送留美。此外，還有一些留美自費生也接受清華的一部分津貼，稱為「津貼生」。到1929年清華學校改為清華大學，派往美國的留學生達1279人。這樣，以清華為中堅力量，便形成了清末民初赴美留學的高潮。