1877年，在浏阳与唐才常订交，他又师涂启先，系统学习中国的典籍，开始接触算学、格致等自然科学。此后又到兰州，在他父亲的道署中读书。
1884年，他离家出走，游历直隶（今河北）、甘肃、新疆、陕西、河南、湖北、江西、江苏、安徽、浙江、山东、山西等省，观察风土，结交名士。劳动人民反封建斗争精神的濡染，开阔了他的视野，使他的思想富于斗争性。1888年，他在著名学者刘人熙的指导下开始认真研究王夫之等人的著作，汲取其中的民主性精华和唯物色彩的思想，同时又广为搜罗和阅读当时介绍西方科学、史地、政治的书籍，丰富自己。
1894年，中日甲午战争爆发。由于清政府的腐败无能而妥协退让，
中国战败，签订了丧权辱国的《马关条约》。1895年5月2日，康有为联合在京参加会试的1000多名举人上书清政府，要求拒和、迁都、变法。深重的民族灾难，焦灼着谭嗣同的心，他对帝国主义的侵略义愤填膺，坚决反对签订和约，对清政府“竟忍以四万万七千万人民之身家性命一举而弃之”的妥协行径极为愤慨。在变法思潮的影响下，开始“详考数十年之世变，而切究其事理”，苦思精研挽救民族危亡的根本大计。他感到“大化之所趋，风气之所溺，非守文因旧所能挽回者”，必须对腐朽的封建专制制度实行改革，才能救亡图存。
1897年夏秋间，写成重要著作《仁学》，它是维新派的第一部哲学著作。他认为物质性的“以太”是世界万物存在的基础，世界万物处于不断运动变化之中，而变化的根源在于事物的“好恶攻取”、“异同生克”。他把“以太”的精神表现规定为“仁”，而“仁”的内容是“通”，“通之象为平等”，“仁――通――平等”是万物的发展法则，是不可抗拒的规律。他在这部著作中，愤怒地抨击了封建君主专制所造成的“惨祸烈毒”和三纲五常对人性的摧残压抑。指出，封建纲常礼义完全是那些独夫民贼用作统治的工具，特别是君臣一伦，更是“黑暗否塞、无复人理”。因此，对于那些昏暴的专制君主，不仅可以不为其尽忠死节，而且可以“人人得而戮之”。1898年初，接受了倾向维新的湖南巡抚陈宝箴的邀请，回到湖南协助举办新政。他首先加强了时务学堂中维新派力量。自己担任了分教习，又安排唐才常任中文教习，协助任总教习的梁启超，在教学中大力宣传变法革新理论，“所言皆当时一派之民权论，又多言清代故实，胪举失败”。孔子改制、平等、民权等学说由此而乘风扬波，日益恢张。他还把《明夷待访录》、《扬州十日记》等含有民族主义意识的书籍发给学生，向他们灌输革命意识，使时务学堂真正成了培养维新志士的机构。
1898年3月，他又与唐才常等人创建了维新团体南学会。南学会以联合南方各省维新力量，讲求爱国之理和救亡之法为宗旨，“演说万国大势及政学原理”。为了加强变法理论的宣传，他还创办了《湘报》，作为南学会的机关报，由他任主笔。由于对湖南新政的尽力，使他以“新政人才”而闻名。光绪《明定国是诏》后 不久，就有人向光绪帝推荐谭嗣同，光绪帝同意召见。8月21日，他抵北京。9月5日，光绪下诏授给他和林旭、刘光弟、杨锐四品卿衔，参预新政。次日，光绪又召见他，表示自己是愿意变法的，只是太后和守旧大臣阻挠而无可奈何，并说：“汝等所欲变者，俱可随意奏来，我必依从。即我有过失，汝等当面责我，我必速改。”光绪帝变法的决心和对维新派的信赖使谭嗣同非常感动，觉得实现自己抱负的机会已经在握。他参政时，维新派与顽固派的斗争已是剑拔弩张。慈禧太后等人早有密谋，要在10月底光绪帝去天津阅兵时发动兵变，废黜光绪帝，一举扑灭新政。9月18日，谭嗣同夜访袁世凯，要袁带兵入京，除掉顽固派。袁世凯假惺惺地表示先回天津除掉荣禄，然后率兵入京。袁世凯于20日晚赶回天津，向荣禄告密，荣禄密报西太后。21日，西太后发动政变。慈禧连发谕旨，捉拿维新派。他听到政变消息后并不惊慌，置自己的安危于不顾，多方活动，筹谋营救光绪帝。但措手不及，计划均告落空。在这种情况下，他决心以死来殉变法事业，用自己的牺牲去向封建顽固势力作最后一次反抗。谭嗣同把自己的书信、文稿交给梁启超，要他东渡日本避难，并慷慨地说：“不有行者，无以图将来，不有死者，无以召后起。”日本使馆曾派人与他联系，表示可以为他提供“保护”，他毅然回绝，并对来人说：“各国变法无不从流血而成，今日中国未闻有因变法而流血者，此国之所以不昌也。有之，请自嗣同始。”24日，谭嗣同在浏阳会馆被捕。在狱中，意态从容，镇定自若，写下了这样一首诗：“望门投止思张俭，忍死须臾待杜根。我自横刀向天笑，去留肝胆两昆仑”。9月28日，他与其他5位志士英勇就义于北京宣武门外菜市口。当他们被杀时，刑场上观看者上万人。他神色不变，临终时还大声说：“有心杀贼，无力回天，死得其所，快哉！快哉！”充分表现了一位爱国志士舍身报国的英雄气概。1899年，他的遗骸运回原籍，葬在湖南浏阳城外石山下。墓前华表上挽联写道：“亘古不磨，片石苍茫立天地；一峦挺秀，群山奔赴若波涛。”其著作编为《谭嗣同全集》。
