《仁学》所阐发的哲学思想亦即所谓“心学”。谭嗣同认为“仁为天地万物之源”，世界是统一在“仁”的基础之上的。而“仁”“以通为第一义”，要实现“通”又得借助于“以太”。这里，谭嗣同借用了十九世纪物理学上的“以太”这个词，来说明世界上所存在的万事万物。它的作用是使万事万物相“通”。既然各种事物是“通为一身”的，就不应当“妄生分别”。基于这样的出发点，谭嗣同又试图证明世上各种事物间的对立本来并不存在，只是由于人们的主观想象，即“妄生分别”才导致了对立，人的痛苦即来自于此。要解除对立、痛苦，就要“断意识、除我相”，不要去想现实世界的种种对立和苦难，苦恼既然“由心造”，当然须由心解之。谭嗣同还宣扬灵魂万能，要人们“轻体魄、重灵魂”，要求人们身受其苦而不以为苦，把希望寄托到虚幻的灵魂享福上去。“以心度一切苦恼众生”，这就是谭嗣同所开出的救世良方。
在《仁学》中，谭嗣同对封建专制主义进行了激烈的批判，要求改革社会政治。他首先以激烈的言辞鞭挞了维护封建专制主义的精神支柱“名教”，说“俗学陋行，动言名教，敬若天命而不敢渝，畏若国宪而不敢议”，但“以名为教，则其教已为实之宾，而决非实也。又况名者由人创造”，“名忽彼而忽此，视权势之所积；名时重而时轻，视习俗之所尚”，决非是什么天经地义的纲常。谭嗣同还批驳了“君权神授”的传统理论。他说“生民之初，本无所谓君臣，则皆民也。民不能相治，亦不暇治，于是共举一民为君”，因此“君末也，民本也”，君只是“为民办事者”，如果君主不为大家办事，众人便可“共废之”。但是，在深刻揭露了清政府的种种罪恶之后，谭嗣同又认为只要清政府能把中国治理好，旧账可以一笔勾销，在内忧外患之际，仁人志士要“供圣人之驱除”，通过变法以解危难。
《仁学》是一部充满反封建反专制民主思想的著作，其内容、言辞均很激进。在《仁学自序》中，谭嗣同号召“冲决利禄之网罗，冲决俗学若考据若词章之网罗，冲决全球群学群教之网罗，冲决君主之网罗，冲决伦常之网罗，冲决天之网罗，”其激进程度可见一斑。因此，《仁学》写成后，当时并未公开出版刊行，只在一部分改良派中流传。谭嗣同被害之后，才由梁启超在日本发表并刊印成书。当时曾引起了思想界的震动。这本书对后来的革命党人和爱国志士也产生过重要影响。
甲午战后兴起的维新变法运动中，湖南是一个比较活跃的省份。1894年任湖南学政的江标是个倾向变法的人物，在湖南提倡新学。湖南巡抚陈宝箴、按察使黄遵宪也是支持变法的。在他们的支持下，湖南的变法运动开展得颇有声势。这其中，谭嗣同起着很重要的作用。
早在1895年，谭嗣同即建议在湖南“邀集绅士，讲明今日之时势与救亡之道，设立算学格致馆，招集聪颖子弟肄业其中”，以培养新式人才。但这件提倡数学、物理之类自然科学的事也遇到了较大阻力，直至1897年才办起了浏阳算学馆。当他得知康有为在北京组织强学会的消息后，很受鼓舞，曾打算组织强学会湖南分会，以推动湖南省的维新事业，终未能办成。
谭嗣同在南京做候补官期间，也一直关心并积极参与了湖南的维新运动。他经常与在湖南的师友欧阳中鹄、唐才常、皮锡瑞、涂启先等人书信往来，筹划新政。1897年，唐才常等人倡议在湖南省城设立时务学堂，培养精通中外的人才。谭嗣同虽远在南京，仍积极促其实现，亲自到上海为学堂采买仪器设备，敦请梁启超、李维格等人到学堂任教，作了很多工作。时务学堂是湖南维新运动中的一个重要组成部分，虽然只存在了一年多的时间，却培养了一批变法人才，后来有些人还转向了革命。对于时务学堂的创设和活动，谭嗣同功不可没。
1897年11月，谭嗣同离开南京回到湖南。他向陈宝箴建议，在湖南设立一个带议会性质的总学会。这是后来湖南“南学会”的最初发议。次年2月，南学会在长沙正式成立，谭嗣同是该会的中坚分子。他经常出席每周一次的集会讲演，担任主讲人，慷慨激昂地谈论天下大事，沉痛地指出面临的民族危机，听者无不感动。在南学会的推动下，湖南省的各府、县纷纷设立各种学会。课吏堂、新政局、保卫局等也相继建立。为适应维新运动的发展，湖南维新派于1898年3月创办了《湘报》，谭嗣同、唐才常等均任过该报主笔，传播维新思想，宣传湖南自立，“是为中国省报言自立者之始”，在当时是一张很有影响的报纸。
变法运动在湖南的开展，特别是梁启超、谭嗣同、唐才常等人在时务学堂、南学会和《湘报》上鼓吹“民权”、“平等”和变法的主张，使封建顽固势力惊恐不安。湖南顽固派首领王先谦、叶德辉等指使喽辉诔ど吵悄谡盘匿名贴子，攻击梁启超、谭嗣同、唐才常等人在时务学堂的言论，要求陈宝箴对时务学堂严加整顿，摒退梁、唐等人。在他们的围攻下，时务学堂的招生遇到了很大困难，敢于报考者大大减少。顽固派还将南学会邵阳分会负责人樊锥驱逐出境，并布告全省；公然到南学会哄闹，殴打《湘报》主笔。在他们的猖狂进攻之下，梁启超借口养病，离职而去，时务学堂的其他教习也忿然欲去，南学会呈现出涣散状态。在此严重局势面前，谭嗣同却表现出“勇敢之风”，他说“平日互相劝勉者，全在杀身灭族四字，岂临小小利害而变其心乎！”表示决不因受挫而畏缩。他以自己的实际行动表明了他是湖南维新运动的骨干，是戊戌维新运动中的激烈分子。
当谭嗣同致力于湖南维新事业之时，全国的维新运动也在不断深入。1898年6月11日，光绪帝颁布“明定国是诏”，正式宣布变法。从这天起，到9月21日止的一百零三天，就是历史上所说的“百日维新”。
为了冲破顽固派对变法的抵制，光绪帝根据康有为等的建议，决定起用一些新人来推行变法。谭嗣同因大学士徐致靖的推荐，亦被征召。他奉旨从湖南出发后，又因病在湖北耽搁了一些日子，直到8月21日才到达北京，住进浏阳会馆。
浏阳会馆位于北京宣武门外的“北半截胡同”，距离米市胡同的南海会馆很近。当时康有为就住在南海会馆。谭嗣同到京后经常拜会康有为，共同商讨维新变法的大计，有时甚至彻夜不眠。
9月5日，谭嗣同与杨锐、刘光第、林旭等一起受到光绪帝召见，被授予四品卿衔军机章京参与新政，人称“军机四卿”。光绪帝还密谕四人尽力辅佐变法活动，不要瞻前顾后。这样，谭嗣同等实际上成了光绪帝的主要助手，经常同光绪帝见面，替他草拟谕旨，审阅各地送上的奏文，并且担当了光绪帝和康有为之间的联系人。
谭嗣同的军机章京只当了二十天。他上任之初就遭遇了军机处一班大臣们的刁难，安放自己的办公桌案亦要费一番周折。以慈禧太后为首的“后党”对变法处处掣肘，光绪帝手中并无实权。谭嗣同受命后两三天，湖南的曾廉上书攻击康有为、梁启超，非难康有为觊觎非常，欲“教皇中国”，请杀康、梁二人。谭嗣同见曾廉如此肆无忌惮地恶意攻击改良派，十分气愤，请求光绪帝杀曾廉以示儆戒。后来，他奉命撰文驳斥曾廉，文中他发誓“以百口保康、梁之忠”。他还奏请光绪帝开“懋勤殿”，以便讨论和议改各项制度，但此时西太后政变在即，维新派的全部精力都放到筹划对策之上，已无暇顾及于此了。
当光绪帝发出一道道变法命令，维新变法表面上轰轰烈烈的同时，顽固派也在做着周密的布置。慈禧太后在《明定国是诏》颁布后四天，就逼光绪帝将自己的老师、帝党首脑翁同贰翱缺回籍”；任命慈禧的亲信荣禄为直隶总督，统率董福祥、聂士成、袁世凯三军；又命光绪帝下谕新授二品以上大员，都要到皇太后处谢恩。光绪帝不甘示弱，下令把阻挠新政的礼部堂官全部革职。9月初，慈禧与荣禄密谋，决定趁光绪帝10月19日到天津阅兵之机发动兵变，将他废黜。9月14日，光绪帝命杨锐带诏出宫，说“朕位几不保”，要康有为等“妥速密筹，设法相救”。康有为、谭嗣同献策笼络袁世凯以备不测。光绪帝别无他法，即于16日召见袁世凯，赏以侍郎官衔。17日，光绪帝深感形势不利，遂发出第二道密诏，令康有为赶紧离京外逃。在此危急关头，谭嗣同只好孤注一掷，把希望寄托在袁世凯身上，并自告奋勇前去充当说客。18日深夜，他只身一人来到法华寺袁世凯的寓所。同袁世凯寒暄一番之后，谭嗣同单刀直入地问道：“您认为皇上是怎样一个人？”袁答：“是旷代之圣主！”谭又问：“天津阅兵的阴谋，您可知道？”袁答：“是的，我也听到一些传闻。”于是谭嗣同拿出光绪帝的密诏，说“如今只有你才能救皇上。你如果愿意救就请救他，如果不愿救，你可以到颐和园去告发我，你也可以得到荣华富贵。”狡猾的袁世凯假装生气地说：“你把我袁某当成什么人了？我和你同受皇上洪恩，救护皇上之责，不仅仅是你一个人的事，也是我的责任。你有何吩咐，只管对我说。”谭嗣同以为袁世凯已被说动，就将他同康有为等人商议的计划和盘托出，要袁在天津阅兵之时全力相救，诛除后党。袁世凯满口答应，声称“如果皇上到了我的军营，要杀一个荣禄就像杀一条狗那么容易。”谭嗣同信以为真，欣然离去。但事过三天，袁借口回天津筹备军械弹药，便去向荣禄告密。荣禄立刻密报慈禧。当日夜半，光绪帝被囚；次日（9月21日），慈禧再次“临朝听政”。戊戌维新宣告夭折。
突如其来的巨变使谭嗣同大为震惊。他伤感地说：“我们想救皇上，现在已无法可救；今日想救康先生，也已无法可想。眼下我已无事可做，只有等死了！”第二天，他到日本使馆找避居于此的梁启超，把自己所著书籍、诗文和家书全部托付给他，说“不有行者，无以图将来；不有死者，无以酬圣主”，劝梁启超远行，自己则决心以死酬君。他还和大侠王五商议入宫救出光绪帝，挽狂澜于既倒，终因防卫森严而未成事。谭嗣同明知留下来是死路一条，仍坚决谢绝了中外友人要他出走的劝告，他对日本友人说：“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！”
9月25日，谭嗣同在自己居住的浏阳会馆“莽苍苍斋”代父假造家书，摹仿他父亲的口气说他“不忠不孝”，以示其父早已与自己划清界线。因此，谭继洵后来仅被清政府撤职，未受更大牵累。信刚写完，缇骑已至。在狱中，谭嗣同在墙壁上题诗“望门投宿思张俭，忍死须臾待杜根。我自横刀向天笑，去留肝胆两昆仑。”三天后，1898年9月28日，谭嗣同、杨锐、林旭、刘光第、康广仁、杨深秀六人，以“大逆不道”的罪名，未经审讯就在北京菜市口被斩首。史称“戊戌六君子”。临刑之时，谭嗣同从容不迫，面对围观的万余群众，口呼：“有心杀贼，无力回天，死得其所，快哉快哉！”昂首就刑，时年三十三岁。