Dưới thời Nguyễn, Thăng Long không còn giữ vị trí Kinh đô mà trở thành thủ phủ của phủ Hoài Đức (sau này thuộc trấn Bắc Thành). Văn Miếu trong thời kỳ này được gọi là Văn Miếu trấn Bắc Thành, sau đổi tên thành Văn Miếu Hà Nội, Quốc Tử Giám trở thành trường học của phủ Hoài Đức. Về sau, khu vực này được chuyển đổi thành đền Khải Thánh thờ cha, mẹ của Khổng Tử. Đối tượng thờ tự tại Văn Miếu Hà Nội thời gian này gồm: Khổng Tử, Tứ phối, Thập triết thờ trong điện Đại Thành, Thất thập nhị hiền thờ tại hai dãy nhà Tây, Đông vu. Đền Khải Thánh là nơi thờ cha, mẹ của Khổng Tử. Tuy đã mất đi vị thế là Trung tâm giáo dục cao cấp của đất nước, nhưng Văn Miếu trấn Bắc Thành vẫn được triều Nguyễn quan tâm, trùng tu, tôn tạo.

Năm 1805, Tổng trấn Bắc thành Nguyễn Văn Thành đã dựng Khuê Văn Các tại Văn Miếu. Đây là công trình có kiến trúc đặc biệt, một lầu vuông hai tầng, có tám mái theo lối trùng diêm, được xây dựng trên một nền vuông cao lát gạch Bát Tràng. Tầng dưới là 4 trụ gạch vuông, tầng trên là kiến trúc gỗ, mái lợp ngói ống, bốn mặt đều có 4 cửa sổ được trang trí hình tròn, xung quanh có những thanh gỗ con tiện tỏa ra các phía. Khuê Văn Các được ví như hình ảnh của sao Khuê, ngôi sao chủ về văn chương nhằm đề cao trung tâm giáo dục Nho học, góp phần làm tôn thêm giá trị văn hóa và mỹ thuật cho Văn Miếu - Quốc Tử Giám.

Năm 1808, sau khi xây dựng xong Văn Miếu ở kinh đô Huế, nhà Nguyễn đã hạ lệnh cho Văn Miếu các địa phương trong đó có Văn Miếu Bắc Thành thờ thần vị Tiên sư, không thờ tượng. Nơi nào có tượng thì chọn chỗ đất sạch mà chôn đi. Tại Văn Miếu Bắc Thành chỉ còn bài vị Khổng Tử và các vị Tiên hiền, tiên Nho.

Năm 1827, vua Minh Mệnh lệnh chuyển các bản in Ngũ kinh, Tứ thư Đại Toàn và Võ kinh trực giảnglưu giữ ở Văn Miếu Bắc Thành về Quốc Tử Giám Huế. Đến năm 1833, nhà Đại Bái và Điện Đại thành được sơn và sửa lại, tường bao quanh toàn khu Văn Miếu được xây dựng lại. Năm 1858, dựng hai dãy nhà bia Tiến sĩ bên Tả, Hữu vu, mỗi bên 11 gian. Năm 1863, Bố chánh Hà Nội là Hoàng giáp Lê Hữu Thanh cùng Án sát Đặng Tá quyên tiền xây dựng lại nhà bia, mỗi bên 2 tòa, mỗi tòa 11 gian để bảo vệ bia Tiến sĩ.

Sau hiệp ước Patenôtre (1888), người Pháp hoàn toàn nắm quyền cai trị Hà Nội. Giai đoạn 1888 - 1945 là giai đoạn nhiều biến động nhất trong lịch sử Văn Miếu – Quốc Tử Giám. Văn Miếu từng bị thực dân Pháp biến thành trại lính và trường bắn, có thời kỳ là khu cách ly cho những người bị mắc dịch tả tại Hà Nội. Đặc biệt, chính phủ bảo hộ Pháp đã cắt phần lớn đất phía Bắc của Văn Miếu - Quốc Tử Giám để quy hoạch đường phố. Trước sự đấu tranh của nhân dân Hà Nội, quân đội Pháp mới trả lại Di tích này cho chính quyền sở tại quản lý và hoạt động tế lễ được khôi phục tại đây.

Trong thời gian từ 1888-1945, Văn Miếu đã trải qua các đợt trùng tu vào các năm 1888, 1897 - 1901 và 1904 – 1909. Đặc biệt, đợt trùng tu năm 1888 được coi là đợt trùng tu lớn cuối cùng ở Văn Miếu Hà Nội dưới thời phong kiến. Việc tu sửa này được ghi chép trên biển gỗ, hoành phi“Đại Thành môn”, “Vạn thế sư biểu”. Ngoài ra, để vỗ về người Việt, Công sứ toàn quyền Bắc Kỳ cấp kinh phí sửa chữa các gian thờ, mua sắm đồ tế khí và xin cho giữ lợi tức thu được trên 12.300m2 đất xung quanh để bảo quản và tu bổ Văn Miếu. Năm 1906, Toàn quyền Đông Dương đã xếp hạng khu vực Văn Miếu - Quốc Tử Giám là Di tích lịch sử, văn hóa.

Văn Miếu - Quốc Tử Giám Thăng Long - Hà Nội dưới thời Nguyễn (1802-1845) trải qua nhiều thăng trầm, song Văn Miếu – Quốc Tử Giám vẫn luôn được bảo vệ, giữ gìn, xứng đáng là Trung tâm giáo dục, văn hóa tiêu biểu của cả nước.