На початку ХХ століття, російський царат, при всій своїй антиукраїнській спрямованості, був змушений піти на розширення шкільної мережі в Наддніпрянщині.

Протягом 1897–1911 рр. кількість початкових шкіл зросла тут з 13 570 до 18 719. На 1 січня 1916 р. в Україні діяло понад 300  «вищих

початкових училищ» з 4-річним терміном навчання. У результаті цього помітно підвищився рівень грамотності населення.

Розширювалася мережа середніх навчальних закладів. На 1915 р. в Україні було 26 тис. загальноосвітніх шкіл, в яких навчалося 12,5 тис. учнів, і понад 60 професійно-технічних училищ, де здобували освіту й ремесло приблизно 5 тис. осіб. Однак це все не задовольняло потреб народу, 70% якого не вміли читати і писати.

Аналогічною була ситуація у вищій школі, де кількість студентів на початку XX ст. зросла більш ніж удвічі – до близько 12,7 тис. осіб. Проте на всій території України не було жодного вишу з українською мовою викладання, а в царській росії – навіть жодної української школи на державному утриманні.

Після повалення царату в Україні розпочався новий етап прискореного розвитку національної культури й освіти. В часи Центральної Ради було усунуто основні перепони на шляху розвитку української освіти, здійснювалася інтенсивна робота з українізації школи. 

Загалом упродовж 1917 р. в Україні відкрили 215 нових «вищих початкових шкіл». Крім того, в 1918 р. діяло понад 39 тис. нижчих початкових шкіл. Уперше українська мова на правах офіційної входила в середню й вищу школу.

У період Гетьманату освітньо-культурницьку політику Центральної Ради було продовжено. Восени 1918 р. в Україні було 150 українських гімназій, у жовтні відкрито державні українські університети у Києві та Кам’янці-Подільському. У вищих навчальних закладах засновували українознавчі кафедри. Значну увагу приділяли виданню підручників українською мовою.

Ще інтенсивніше українізацію школи здійснювала Директорія. Однак через швидку зміну політичної ситуації досягти реальних результатів не вдалося.

Важким було становище освіти на західноукраїнських землях. Уряд імперії Габсбурґів насаджував школи з німецькою і польською мовами викладання. Майже недоступними для дітей робітників залишалися середня і вища школи. Лише в результаті тривалої боротьби галицькі й буковинські українці перед Першою світовою війною досягли відчутних успіхів. У Галичині функціонувало 6 українських державних гімназій. У них та в 2510 народних школах українською мовою навчалося 440 тис. дітей. На Буковині в 1911 р. було 216 українських народних шкіл із 40 тис. учнів. Діяли україномовна державна гімназія та семінарія для дівчат. Таким чином, західноукраїнська молодь порівняно з юнацтвом Східної України мала більшу можливість виховуватися в українському дусі.

Значної уваги становленню національної школи надавала Західноукраїнська Народна Республіка. Державні школи стали україномовними; неукраїнське населення здобуло право на школи з навчанням рідною мовою. Проте поразка ЗУНР не дала змоги повною мірою реалізувати ці ідеї.

Значних успіхів досягли вчені України в природничих науках. У галузі математики плідно працювали Д. Граве, С. Бернштейн, Д. Синцов. Для розвитку фізики чимало доклалися професори Д. Рожанський та М. Смолуховський, хімії – С. Реформатський, І. Осипов, Б. Радзішевський, В. Кемула.

Українські вчені зробили вагомий внесок у біологію та медицину. Розвиток генетики в Україні пов’язаний з іменами Л. Симиренка та М. Кащенка.

Важко переоцінити внесок епідеміологів і мікробіологів М. Гамалії, Д. Заболотного, патологоанатома і бактеріолога В. Високовича та інших для подолання таких тяжких хвороб, як чума, холера, тиф, сказ, туберкульоз тощо.

На початку XX ст. Україна посіла провідне місце в розвитку повітроплавання. Так, члени Одеського аероклубу С. Уточкін і М. Єфімов у 1910 р. здійснили перші в Російській імперії польоти на літаку. Одним із піонерів авіації, основоположником важкої авіації, автором одного з перших у світі проєктів ґвинтокрила був видатний авіаконструктор І. Сікорський. 

Військовий льотчик П. Нестеров у 1913 р. у Києві вперше продемонстрував складні фігури вищого пілотажу, зокрема «мертву петлю».

У центрі постійної пильної уваги українського громадянства перебували суспільні науки, покликані дати відповіді на актуальні питання суспільно-політичного життя. 

На початку XX ст. продовжували працювати історики О. Єфименко, Д. Багалій, В. Барвінський, неперевершений дослідник запорізького козацтва Д. Яворницький. 

Вченим зі світовим іменем став Михайло Грушевський. Серед його майже 2 тис. наукових праць найбільшою є 11-томна «Історія України-Руси». 

Видатним діячем української історіографії був І. Франко.

Плідною була робота українських вчених і в інших гуманітарних науках. І. Франко, В. Гнатюк, О. Роздольський та інші вчені розгорнули дослідження з українського фольклору й етнографії. Важливі праці з мовознавства й літератури написали А. Кримський, В. Дубровський, Б. Грінченко, В. Перетц. Дослідником скарбів рідної культури став І. Огієнко.

Багатогранну дослідницьку діяльність проводили наукові товариства, які діяли в Україні. Значним досягненням було відкриття 24 листопада 1918 р. Української академії наук. Її першим президентом став видатний український вчений Володимир Вернадський.

Складна, драматична ситуація в Україні на початку XX ст., позначена великими соціальними потрясіннями, боротьбою різних партій, ненавистю до світової кровопролитної бойні, передчуттям революційного вибуху, знайшла яскраве відображення в художній літературі. 

У численних прозових творах ці події висвітили М. Коцюбинський, І. Франко, О. Кобилянська, А. Тесленко, Г. Хоткевич, С. Васильченко, В. Винниченко, В. Стефаник, Л. Мартович, М. Черемшина та ін.

Справжньою гордістю українського народу став талановитий поет та історичний романіст Б. Лепкий. Яскравими барвами сяяли поезії Лесі Українки, О. Олеся, Г. Чупринки, П. Тичини, М. Рильського, М. Семенка, Г. Шкурупія, інших віртуозів пера.