兰学本来称西学或洋学，因德川幕府初期实行锁国政策，欧洲科学技术及其知识只能通过长崎的荷兰人传入日本，因而称为“兰学”。1720年将军吉宗提倡实学，宣布不再禁止与天主教无关的西书，1740年幕府命令青木昆阳、野吕元丈等人学习荷兰语，推动了兰学的发展。1774年，杉田玄白等人翻译《解体新书》，介绍西方的解剖学，是日本的第一部大型西洋医学译著。后来从医学、军事发展到各种学科，在日本全国形成了学习西方知识的知识分子集团。到19世纪中期，翻译西方书籍约500多部，其中较为著名的兰学者有杉田玄白、大槻玄泽、高野长英、绪方洪庵等人。同时也出现了由兰学者开办的学校，例如仙台医师大槻玄泽在江户开设“芝兰堂”私塾，培养了许多优秀学生；绪方洪庵在大阪创办“适适斋”学塾，也培养了许多优秀的人才，其中包括明治初期日本兵制的创办人大村益次郎以及著名的启蒙思想家福泽谕吉等。
除国学、兰学外，幕末时期还出现了许多批判幕藩体制、提倡改良、对应外来危机的政治及社会思想。例如安藤昌益著《自然真营道》，主张人人耕种，反对剥削与身份等级；海保青陵在《稽古谈》中认为，重建幕藩财政不能依靠消极的节俭政策，而是积极适应商品经济，实施藩营专卖等措施；本多利明著《西域物语》、《经世秘策》，主张开发虾夷地区，并通过与西方各国进行贸易而增加国富；佐藤信渊在《农政本论》、《经济要录》等书中却主张必须振兴产业，国家统制流通领域，同时积极向海外扩张。另外，在最初推崇朱子学的水户藩，逐渐形成将朱子学、国学、神道教相结合的“水户学”，主张尊崇天皇，服从将军，对幕末时期的尊王攘夷运动形成很大影响。
值得一提的是德川时代的教育。18世纪末，除幕府设立昌平坂学问所（昌平黉）作为向幕臣灌输朱子学的教育机构外，许多藩也设立藩校，教育藩士的子弟，培养解决藩财政等问题的人材。藩校最多时达到280个左右，最初讲授朱子学等儒学，后来根据需要又加设洋学、国学，同时根据年龄、学习能力设置不同的年级。这些藩校不仅使武士受到教育，其影响也扩展到其他社会阶层。例如1841年水户藩创办的“弘道馆”，不仅其规模最大，而且成为幕末“尊王论”的大本营。除官办学校外，民间有武士、学者、町人开办的众多私塾。例如大阪町人设立的怀德堂，讲授朱子学、阳明学，但也出现了批判儒学、主张实用性的学者山片蟠桃。其他著名的私塾还有大盐平八郎的洗心洞、吉田松阴的松下村塾以及上面提及的大槻玄泽“芝兰堂”、绪方洪庵“适适斋”等。另外，民间初等教育机构“寺子屋”在19世纪初急剧增加，全日本达到1.2万所，其中十分之一在江户。这些小学校大多由村长、僧侣、浪人武士、富裕的町人经营，通常有20名左右的6—13岁儿童就读，学习读写、算数等。除上述的教育机构外，还有许多私人教育家，例如提出以“报德仕法”振兴农村的二宫尊德、主张节俭正直商业道德的石田梅岩“心学”等。