중서서원에서 4년간 공부하며 윤치호는 개신교 선교사들의 영향을 받게 되었고, 중서서원 재학 동안 열심히 서양의 문물을 접하며 중국을 세계의 중심으로 보던 조선인들의 중화사상(中華思想)에 입각한 사고방식에서 벗어나게 되었으며, 낙후된 조선과 중국에 대한 강한 비판의식과 낙후된 조선 사회의 현실에 절망, 조선 근대화에 대한 비판적, 부정적인 인식을 갖게 되었다. 상하이에서 3년 반을 보낸 후 청국(淸國) 사회에 대한 그의 소감은 ‘더러운 물로 가득 채워진 연못’이었다. 반면 일본은 ‘동양의 한 도원(桃園)’이었다 윤치호에게는 본부인 진주강씨 외에 두 명의 첩이 있었던 듯 하다. 그가 상하이에 체류하는 동안 그의 두 번째 첩은 다른 남자에게 개가했다. 1886년에는 그의 첫 부인인 진주강씨가 사망했다. 그가 상하이로 망명하고, 그의 아버지 윤웅렬은 능주로 유배되었을 무렵이었다. 

이후 윤치호는 10여 년간 중국과 미국으로 망명·유학하여 문물을 접하고, 서구 민권사상과 기독교 신앙을 수용했으며, 그는 상해와 미국에서 그의 재능을 높이 평가한 남감리교 선교사들의 지원을 받으며 , 마음껏 학업에 정진할수 있었으나 5년간 미국유학중에는 생활비를 고학으로 충당했다. 영 J. 알렌과 W. B. 보넬 교수의 영향으로 개신교에 귀의를 결심하여 1887년 4월 3일 상하이에서 "예수를 주로 고백하고" 세례를 받고 개신교 신자가 되었다. 그가 개신교 신자가 되게 된 배경에는 4년 여되는 기간 동안의 개신교 연구와 수련이 있는 것으로 보고 있다 .

그는 노동을 천시, 경시하는 사농공상의 풍조와 출세욕, 관직열에 빠진 조선의 배관열을 이해할 수 없었다. 유학기간 중 그는 서구의 민권사상과 합리주의, 직업윤리 의식, 민중의 참정권을 수용, 개혁의 필요성을 확신하게 되었다.
내나라 자랑할 일은 하나도 없고, 다만 흉 잡힐 일만 많으매 일변 한심하며, 일변 일본이 부러워 못견디겠도다.|윤치호|윤치호일기 1888년 12월 29일자
조선이 지금의 야만적 상태에 머무느니 차라리 문명국의 식민지가 되는 게 낫겠다.|윤치호|윤치호일기 1890년 5월 18일자 }}

1890년대 초반 미국 체류시 윤치호는 사회진화론을 최고의 진리로 받아들여 중국인들에 대한 미국 사회의 무시와 억압과 중국인에 대한 인종주의적인 차별 행위까지도 옹호했다. 그러나 합리주의적인 사회를 부정하지는 않았다.
윤치호가 조선이 문명국의 식민지가 되는 것이 낫다고 한 날은?
1890년 5월 18일