一管理體制
總督大臣：徐階（領太子太傅銜，全權負責，也就是新學府校長）
提調官（常務副職2名）:鄧以贊（升翰林院侍讀，專職學堂事務）後續一名再補
監院：由禮部選派郎中一員
下設四司：
1.教務司：掌課程設定、教習聘任、生徒考課
2.研發司：掌儀器製造、技術試驗、典籍編譯
3.實務司：掌田畝實驗、水利工坊、天文觀測等實務場地
4.典籍司：掌圖書儀器採購、西洋文獻翻譯、學報刊行
特色制度：
1御前直陳制：優異生徒每季可經提調官引薦，向皇帝當面呈報研究成果
2實務歷事制：生徒需在第三年起，輪流至工部、欽天監、漕運總督衙門等實習半年
3匠師合授制：每科設「經學教習」一員主要負責講儒家倫理、「實學教習」一員，主要負責講專門技術、「匠師」一員
三、學科設定（分三級）
第一級：基礎科（修業二年）
必修：
1.經義蒙學：《四書》精要、本朝律法、奏疏寫作
2.算學基礎：《九章算術》全本、西洋算術、算盤與計算尺使用
3.格物入門：《天工開物》體例，講萬物原理、簡易機械
4.天文初階：中國傳統星象、簡易觀測法
5.測繪輿圖：測量術、羅盤使用、《廣輿圖》識讀
6.泰西語文：拉丁文基礎、葡萄牙文
第二級：專門科（修業三年，分四院）
第一院：天文歷算院
天文學：西洋望遠鏡使用、行星執行測算、日食月食推演、編制曆法
高等算學：幾何原本、代數基礎、三角測量、微積分初階
儀器製造：渾儀、簡儀、象限儀製作與改良，仿製西洋望遠鏡、鐘錶
第二院：格致工學院
力學與機械：槓桿滑輪、水力風力應用、簡易蒸汽原理
火器與防禦：火炮射程計算、銃管鑄造、城牆防禦工事設計
採礦冶金：探礦法、礦石鑑別、高爐改良、金屬提純
建築營造：西洋建築力學、橋樑設計、水利工程
第三院：農政醫藥院
農學新法：新式農具設計、作物嫁接、肥料配製、農田水利
醫學實技：《本草綱目》驗藥、人體解剖圖識讀西洋外科初探
疫病防治：隔離法、種痘術、水源淨化
第四院：海事輿地院
航海術：星象導航、海圖繪製、帆纜操作、海上氣候觀測
造船工學：福船改良、西洋帆船構造、龍骨設計
地理勘探：經緯度測定、地圖投影法、邊疆輿圖測繪
海外志略：各國風物、貿易航線、西洋列國概況
第三級：研發科（暫時，修業不定，擇優而入）
欽天監合作專案：修訂《大統歷》，編制《萬曆新曆》
工部合作專案：改良鑄炮工藝，設計黃河防汛機械
戶部合作專案：設計新式記帳法，改良漕運計量
兵部合作專案：研製訊號旗語，設計邊關瞭望塔
四、師資構成
三類教習：
1.儒臣教習：聘翰林院精通實學之官員，兼授天文算學
2.西洋顧問：聘澳門耶穌會士，授天文、算術、地理，需習漢文、遵大明禮法。
3.匠師技工：聘欽天監老官生、兵仗局大匠、漕運老舵工等實操專家
特設職位：
「典籍譯撰」：專司翻譯西洋圖書，首批任務包括翻譯《幾何原本》後九卷、《泰西水法》、《火攻挈要》
「儀器督造」：於學堂內設「天工坊」，仿製改良西洋儀器
五、生徒招收與待遇
來源：
1.科舉正途：從新科進士、舉人中選拔年輕聰穎、願學實學者（給予「留館學習」資格）
2.特薦保送：由地方官保送精通算學、工巧的童生、生員（免歲考）
3.匠籍子弟：從軍器局、織造局等工匠子弟中選拔識字聰慧者（限額百分之二十）
名額：每屆招收120人，基礎科後擇優80人入專門科
待遇：
免一切費用，供給食宿，每月發「膏火銀」一兩
專門科生徒著特製青絹襴衫，佩新學府銅牌
畢業經考，分三等：
中等：派往各省任府縣「實學教諭」
下等：留堂繼續研習或推薦至各局廠任匠目
六、學堂建設規劃
選址：北京西郊原「上林苑」廢地